Intelligent Transportation Systems (ITSs) are key components of the transportation systems within future smart cities, in which information and communication technologies interact to enhance the transportation system. By collecting and analyzing real-time data, and applying advanced data analytics techniques, ITS can make better-informed decisions, that are sent back to the network actuators (cars, drivers, traffic signals, travelers,... etc.) to solve or at least mitigate the ongoing transportation problems. In such feedback systems, the communication network is a major component that interacts with the transportation applications. Consequently, it is imperative to study the mutual interactions and effects between the communication and the transportation networks. The key enabler for such studies is the large-scale modeling of communication and transportation systems. However, developing such models is challenging, not only because of the intricate interdependency between the communication and transportation systems but also because of the scale of such systems that usually covers a city-level network with hundreds of thousands of travelers concurrently moving and communicating in the network. Consequently, in our research, we are interested in studying the mutual impact of the communication and transportation systems in large-scale networks while focusing on eco-routing navigation applications that attempt to minimize the transportation network carbon footprint. Our objectives are: 1) enabling the large-scale modeling of transportation systems in smart cities including both transportation and communication systems and 2) studying the mutual interactions between the communication and the transportation systems in real-world networks. Under this umbrella, we introduced two simulation frameworks to realistically model the communication in vehicular systems. Subsequently, we use them to study the mutual influence of the communication and transportation system. Moreover, we designed, developed, and tested a multi-modal agent-based simulation platform which can simulate large-scale transportation systems. The results show that, in congested road networks, the communication performance has a significant impact on the transportation system performance. Moreover, the results show that there is a negative mutual impact loop that may lead to a degrading performance of both systems. Thus, it is important to consider this impact when deploying new ITS technologies that utilize vehicular wireless communication. / PHD / In future smart cities, communication network is a major component that interacts with the transportation applications. Consequently, it is imperative to study the mutual interactions and effects between the communication and the transportation networks. Studying these systems is challenging, not only because of the intricate interdependency between the communication and transportation but also because of the scale of these systems that usually covers a city-level network with hundreds of thousands of travelers concurrently moving and communicating in the network. Therefore, in this dissertation, our main objectives are: 1) to enable the large-scale modeling of transportation systems in smart cities including both transportation and communication systems and 2) to study the mutual interactions between the communication and the transportation systems in real-world networks. Under this umbrella, we introduced two simulation frameworks to realistically model the communication in vehicular systems. Subsequently, we used them to study the mutual influence of the communication and transportation system. Moreover, we designed, developed, and tested a multi-modal agent-based simulation platform which can simulate large-scale transportation systems. The results show that, in congested road networks, the communication performance has a significant impact on the transportation system performance. Moreover, they show that there is a negative mutual impact loop that may lead to a degrading performance of both systems. Thus, it is important to consider this impact when deploying new ITS technologies that utilize vehicular wireless communication.

Les réseaux véhiculaires sont des systèmes de communication basés sur un échange d'informations de véhicules à infrastructures fixes installées au bord des routes, on parle alors de mode V2I (Vehicle-to-Infrastructure), ou de véhicules à véhicules dit mode V2V (Vehicle-to-Vehicle) ou VANET (Vehicular Ad hoc Network). L'objectif est de fournir aux conducteurs et aux opérateurs de transport des informations sur le trafic routier permettant d'améliorer l'efficacité des systèmes de transport, la sécurité et le confort des usagers. Depuis leur apparition, les VANET ont connu un très grand essor, de nombreux standards, applications et mécanismes de routage ont été proposés pour répondre aux spécificités de cette nouvelle classe de réseaux. Les défis à relever pour leur conception découlent principalement de la forte mobilité des véhicules, de la diversité spatio-temporelle de la densité du trafic et de la propagation des ondes radio en environnement extérieur défavorable à l'établissement des communications sans fil. La difficulté, aussi bien économique que logistique, de la mise en œuvre réelle des réseaux véhiculaires fait de la simulation le moyen le plus largement utilisé pour la conception et l'évaluation des solutions proposées. Cependant la validité des résultats de simulation dépend fortement de la capacité des modèles utilisés à reproduire le plus fidèlement possible les situations réelles. Deux aspects sont essentiellement importants dans les VANET : la mobilité des véhicules et la propagation des ondes radio. Nous proposons dans cette thèse un nouveau modèle de mobilité et un nouveau modèle de propagation d’ondes radio pour réseaux de véhicules en environnement urbain et suburbain. Pour définir des schémas réalistes, ces deux modèles se basent sur des données statiques et dynamiques réelles sur les caractéristiques topographiques et socio-économiques de l'environnement. Ces données décrivent particulièrement la distribution spatio-temporelle des véhicules et les infrastructures présentes dans l'environnement. Trois cas d'études sont présentés dans la thèse pour la validation des modèles développés ; un environnement théorique, urbain ou suburbain, défini par l'utilisateur, notamment le cas Manhattan très utilisé, et deux environnements réels qui représentent des agglomérations de taille moyenne. Une autre contribution de cette thèse est l'étude de la connectivité radio et des performances des protocoles de routage dans les VANET. A partir de graphes dynamiques de connexions représentant la variation des liens radio entre véhicules en déplacement, nous avons analysé et déterminé les propriétés de la topologie des liaisons radio des réseaux véhiculaires. Pour étudier les protocoles de routage, nous avons utilisé le modèle de mobilité et le modèle de propagation radio que nous avons développés en association avec le simulateur de réseaux ns-2. Nous avons comparé les performances des protocoles de routage les plus répandus et déterminé les mécanismes de routage les plus adaptés aux réseaux véhiculaires. / Vehicular networks are communication systems based on information exchange either between vehicles and roadside fixed infrastructure, which is called V2I (Vehicle-to-Infrastructure) mode, or from vehicle to vehicle V2V (Vehicle-to-Vehicle) mode also known as VANET (Vehicular Ad hoc Network). The objective of these networks is to provide drivers and transport authorities the most timely information on road traffic in order to improve the efficiency of transportation systems, users safety and comfort.Since their appearance, the VANET have been greatly developed; many standards, applications and routing mechanisms have been proposed to address the specifics of this new class of networks. The challenges arise mainly from the high vehicles mobility, the spatiotemporal diversity of traffic density and, the radio waves propagation in external environment unfavorable to wireless communications establishment.The difficulty, both economic and logistical, of a real implementation of vehicular networks makes the simulation widely used to conceive and assess the proposed solutions. The validity of simulation results depends strongly on the ability of the models to reproduce as faithfully as possible the real situations. Two aspects are mainly important in the VANET: the simulation of vehicles mobility and radio wave propagation.We propose in this thesis a new mobility model and a new radio propagation model for vehicular networks in urban and suburban environment. To be realistic, these two models are based on real static and dynamic data describing the topographic and socioeconomic characteristics of the environment. These data concern particularly the spatiotemporal vehicles distribution and the description of the infrastructures present in the environment. Three case studies are presented in the thesis to validate the models, a theoretical user-defined urban or suburban environment (the Manhattan case very often used) and two real environments from mean size cities.Another contribution of this thesis is the study of radio connectivity and performance of routing protocols in the VANET. From dynamic graphs representing the variation of the radio links between vehicles in motion, we have analyzed and determined the topology properties of vehicular networks. To study routing protocols, we used the mobility model and the radio propagation model in association with the network simulator ns-2. We have compared the performance of the widespread routing protocols and determined the most adapted routing mechanisms to vehicular networks.

The dissertation investigates communication quality issues in Vehicular Ad-hoc Network (VANET) using statistical analysis, experimental measurements, simulations and modelling. The Object of research is quality characteristics of Inter-Vehicle communication, which is based on IEEE 802.11p standard. The main objective of current research is to investigate Inter-Vehicle communication quality characteristics: packet loss and delay. Additionally propose a redundant safety message transmission method and create the confidence index concept and the calculation method. To reach these objectives following tasks have to be solved: define the boundary vehicular multi-hop transmission algorithms and investigate their performance for latency times defined in different use cases; analyze a packet loss caused by obstacles on the road and define approximation equations, for use in modelling tools; create the redundant packet transmission method for the lost safety message reduction; investigate the confidence index concept in a vehicular network and propose the confidence metrics calculation method; investigate the safe following distance dependency on road conditions and compare it to reliable communication distance. The dissertation consists of introduction, 4 chapters, conclusions and references. The introduction reveals the aim of the dissertation. The first chapter gives detailed overview of Inter-Vehicle communication environments and defines the main Inter-Vehicle communication... [to full text] / Disertacijoje nagrinėjama VANET ryšio kokybės problematika, analizei naudojant statistikos metodus, eksperimentinius tyrimus, modeliavimą ir simuliacijas. Tyrimų objektas yra ryšio tarp automobilių, kurio pagrindas IEEE 802.11p standartas, kokybės charakteristikos. Pagrindinis darbo tikslas – ištirti ryšio tarp automobilių kokybės charakteristikas: vėlinimus ir paketų praradimus. Papildomai pasiūlyti metodus ir algoritmus, mažinančius prarandamų saugos pranešimų skaičių. Pasiūlyti vairuotojo pasitikėjimo indekso koncepciją ir skaičiavimo metodus. Norint pasiekti šiuos tikslus, buvo spręsti sekantys uždaviniai: apibrėžti ribinius perdavimo grandine algoritmus ir ištirti jų efektyvumą perduodant pranešimus grandine; išanalizuoti duomenų paketų praradimus dėl kliūčių ir pateikti atitinkamus aproksimavimo algoritmus, tinkamus modeliavimams; sukurti dubliuotų saugos pranešimų perdavimo metodą, kuris leistų sumažinti prarandamų saugos pranešimų skaičių; sukurti vairuotojo pasitikėjimo indekso koncepciją ryšio tarp automobilių tinkle ir pasiūlyti pasitikėjimo indekso dedamųjų skaičiavimo metodus; ištirti saugaus važiavimo atstumo priklausomybę nuo kelio sąlygų ir palyginti ją su patikimo ryšio nuotolio išraiška. Disertaciją sudaro įvadas, 4 skyriai, rezultatų apibendrinimas, naudotos literatūros ir autoriaus publikacijų disertacijos tema sąrašai. Įvade atskleidžiamas disertacijos tikslas. Pirmame skyriuje pateikiamas detalus ryšio tarp automobilių aplinkos savybių tyrimas. Yra... [toliau žr. visą tekstą]

Disertacijoje nagrinėjama VANET ryšio kokybės problematika, analizei naudojant statistikos metodus, eksperimentinius tyrimus, modeliavimą ir simuliacijas. Tyrimų objektas yra ryšio tarp automobilių, kurio pagrindas IEEE 802.11p standartas, kokybės charakteristikos. Pagrindinis darbo tikslas – ištirti ryšio tarp automobilių kokybės charakteristikas: vėlinimus ir paketų praradimus. Papildomai pasiūlyti metodus ir algoritmus, mažinančius prarandamų saugos pranešimų skaičių. Pasiūlyti vairuotojo pasitikėjimo indekso koncepciją ir skaičiavimo metodus. Norint pasiekti šiuos tikslus, buvo spręsti sekantys uždaviniai: apibrėžti ribinius perdavimo grandine algoritmus ir ištirti jų efektyvumą perduodant pranešimus grandine; išanalizuoti duomenų paketų praradimus dėl kliūčių ir pateikti atitinkamus aproksimavimo algoritmus, tinkamus modeliavimams; sukurti dubliuotų saugos pranešimų perdavimo metodą, kuris leistų sumažinti prarandamų saugos pranešimų skaičių; sukurti vairuotojo pasitikėjimo indekso koncepciją ryšio tarp automobilių tinkle ir pasiūlyti pasitikėjimo indekso dedamųjų skaičiavimo metodus; ištirti saugaus važiavimo atstumo priklausomybę nuo kelio sąlygų ir palyginti ją su patikimo ryšio nuotolio išraiška. Disertaciją sudaro įvadas, 4 skyriai, rezultatų apibendrinimas, naudotos literatūros ir autoriaus publikacijų disertacijos tema sąrašai. Įvade atskleidžiamas disertacijos tikslas. Pirmame skyriuje pateikiamas detalus ryšio tarp automobilių aplinkos savybių tyrimas. Yra... [toliau žr. visą tekstą] / The dissertation investigates communication quality issues in Vehicular Ad-hoc Network (VANET) using statistical analysis, experimental measurements, simulations and modelling. The Object of research is quality characteristics of Inter-Vehicle communication, which is based on IEEE 802.11p standard. The main objective of current research is to investigate Inter-Vehicle communication quality characteristics: packet loss and delay. Additionally propose a redundant safety message transmission method and create the confidence index concept and the calculation method. To reach these objectives following tasks have to be solved: define the boundary vehicular multi-hop transmission algorithms and investigate their performance for latency times defined in different use cases; analyze a packet loss caused by obstacles on the road and define approximation equations, for use in modelling tools; create the redundant packet transmission method for the lost safety message reduction; investigate the confidence index concept in a vehicular network and propose the confidence metrics calculation method; investigate the safe following distance dependency on road conditions and compare it to reliable communication distance. The dissertation consists of introduction, 4 chapters, conclusions and references. The introduction reveals the aim of the dissertation. The first chapter gives detailed overview of Inter-Vehicle communication environments and defines the main Inter-Vehicle communication... [to full text]

Cette thèse traite la problématique de la dissémination et l’agrégation des données dans un contexte de réseaux VANET (Vehicle Ad-Hoc Networks). Cette problématique est fort intéressante, toujours d’actualité dans un monde de plus en plus urbanisé. En effet, d’un côté la dissémination permet d’informer les véhicules mobiles des principaux événements en temps utile, et de l’autre côté l’agrégation permet de résumer plusieurs données émanant de sources différentes concernant le même événement. Le challenge de la dissémination consiste à calculer la zone de relevance d’un événement, de délivrer les messages aux véhicules de cette zone, et de continuer à délivrer les messages en continu aux véhicules de cette zone. Le challenge de l’agrégation consiste essentiellement à sélectionner les messages à agréger et à qualifier les messages provenant de véhicules lointains. Pour résoudre le problème de dissémination nous proposons un nouveau protocole de dissémination des données dans les réseaux VANET. La principale idée de ce protocole est basée sur la définition de zones de relevance ZOR (zone of relevance of a région) pour la mesure de l’intérêt d’une zone par rapport à un évènement donné, et la définition de split Map permettant de décomposer une grande région en un ensemble de ZORs. L’approche de calcul des ZORs est formalisée, elle est basée sur les techniques de greedy pour l’extraction de la couverture pertinente. Le protocole de dissémination présenté sous forme de diagramme Flowchart qui résumé les activités lorsque qu’un véhicule est en mouvement, un événement est détecté. La performance du protocole proposé est évaluée et comparé au protocole Slotted1-Persistence à travers un environnement de simulations et une topologie réelle de routes de la ville de Bizerte en Tunisie. Les résultats de simulation sont présentés et discutés.D’autre part, certaines applications VANET, par exemple le système d’information de trafic (TIS), nécessitent une agrégation de données pour informer les véhicules des conditions de circulation, ce qui réduit les embouteillages et par conséquent les émissions de CO2 Par conséquent, la conception d'un protocole d'agrégation efficace combinant des informations de trafic corrélées telles que l'emplacement, la vitesse et la direction, appelées données flottantes sur les voitures (FCD), pose un problème complexe. Dans cette thèse, nous introduisons un nouveau protocole d’agrégation de données dans un réseau VANET appelé SDDA (Smart Directional Data Aggregation). Ce protocole est dédié aussi bien à l’échange de données dans un contexte urbain et autoroutier. Le protocole proposé est basé sur une sélection des messages à agréger. Trois principaux filtres ont été utilisés : filtrage basé sur la direction des véhicules, filtrage basé sur la limitation de vitesse, et filtrage basé sur l’élimination des messages dupliqués. Trois algorithmes d’agrégation sont proposés, ils visent à optimiser l’algorithme de SOTIS. Les trois algorithmes traitent des cas de routes unidirectionnelles, bidirectionnelles et les réseaux urbains. A l’image du chapitre précédent, la performance des algorithmes proposés sont évaluées à travail un travail de simulation et différents résultats sont présentés et discutés. / Since the last decade, the emergence of affordable wireless devices in vehicle ad-hoc networks has been a key step towards improving road safety as well as transport efficiency. Informing vehicles about interesting safety and non-safety events is of key interest. Thus, the design of an efficient data dissemination protocol has been of paramount importance. A careful scrutiny of the pioneering vehicle-to-vehicle data dissemination approaches highlights that geocasting is the most feasible approach for VANET applications, more especially in safety applications, since safety events are of interest mainly to vehicles located within a specific area, commonly called ZOR or Zone Of Relevance, close to the event. Indeed, the most challenging issue in geocast protocols is the definition of the ZOR for a given event dissemination. In this thesis, our first contribution introduces a new geocast approach, called Data Dissemination Protocol based on Map Splitting(DPMS). The main thrust of DPMS consists of building the zones of relevance through the mining of correlations between vehicles’ trajectories and crossed regions. To do so, we rely on the Formal Concept Analysis (FCA), which is a method of extracting interesting clusters from relational data. The performed experiments show that DPMS outperforms its competitors in terms of effectiveness and efficiency. In another hand, some VANET applications, e.g., Traffic Information System (TIS), require data aggregation in order to inform vehicles about road traffic conditions, which leads to reduce traffic jams and consequently CO2 emission while increasing the user comfort. Therefore, the design of an efficient aggregation protocol that combines correlated traffic information like location, speed and direction known as Floating Car Data (FCD) is a challenging issue. In this thesis, we introduce a new TIS data aggregation protocol called Smart Directional Data Aggregation (SDDA) able to decrease the network overload while obtaining high accurate information on traffic conditions for large road sections. To this end, we introduce three levels of messages filtering: (i) filtering all FCD messages before the aggregation process based on vehicle directions and road speed limitations, (ii) integrating a suppression technique in the phase of information gathering in order to eliminate the duplicate data, and (iii) aggregating the filtered FCD data and then disseminating it to other vehicles. The performed experiments show that the SDDA outperforms existing approaches in terms of effectiveness and efficiency.

L’évolution des systèmes de communications sans fil a permis d’envisager de très nombreuses applications pour les systèmes de transport intelligents (ITS). Elles peuvent ou non utiliser une infrastructure et iront de la sécurité routière aux applications de confort du conducteur ou aux jeux en réseaux. La mise à jour de cartes constitue de notre point de vue une application représentative dans la mesure où ce n’est pas une application de sécurité en tant que telle, mais qu’en revanche elle peut contribuer à réduire les embouteillages en améliorant l’efficacité dans la prise de décisions des conducteurs. Elle possède des caractéristiques facilement identifiables : volume élevé de données, faible contrainte de délai, possibilité de mise en œuvre par des communications d’infrastructure à véhicule, entre véhicules, et hybrides. L’objectif est que les contenus soient téléchargés intégralement par tous les véhicules en un temps minimal, en utilisant le moins de ressources possible et au moindre coût. Les solutions qui sont apparues comme les plus adaptées ont concerné l’utilisation de solutions 802.11p avec ou sans infrastructure. Dans le cas de solutions avec infrastructure, un certain nombre de points d’accès diffuseront des informations avec des zones de couverture le plus souvent disjointes. Vu les tailles de zone retenues et/ou le débit consacré à ce type d’applications, le passage devant un seul point d’accès ne suffira pas à télécharger de telles cartes. Il s’agit alors de définir des stratégies de diffusion d’information. Une première étude a consisté à comparer une stratégie unicast à du broadcast/multicast. Cette dernière se révèle largement meilleure. Une combinaison de ces principes n’améliore pas les performances du système, car le débit consacré à la transmission unicast ne compense pas le débit non utilisé par le broadcast. Le problème provient des doublons reçus par les véhicules en passant auprès de plusieurs points d’accès consécutifs. Afin d’atténuer le phénomène des doublons, nous avons eu recours au Codage Réseau linéaire pseudo-aléatoire. L’idée est que le point d’accès diffuse des combinaisons linéaires de morceaux de fichiers. Le grand nombre de ces combinaisons linéaires réduit de façon significative ce phénomène. De façon complémentaire, nous avons étudié l’utilisation de communications ad-hoc pour combler les morceaux de fichier manquants, en particulier dans le cas d’absence d’infrastructure. Nous avons vérifié que l’on pouvait atteindre de bons résultats dans ce contexte en fonction de la diversité des morceaux de fichiers appartenant aux véhicules rencontrés. / The evolution of wireless communications systems have enabled to consider many applications for Intelligent Transportation Systems (ITS). They may or may not use the infrastructure. They will consider from the traffic safety applications up to the driver’s comfort or network games. The map updates are, from our point of view, a representative application but in the other hand it can help to reduce congestion in improving efficiency in decision making. It has well-defined characteristics : high volume of data, low delay constraint, possibility of implementation of infrastructure-to-vehicle communications, between vehicles and hybrids. The objective is that the contents are fully downloaded by all vehicles in minimum time, using fewer resources and lower costs. The solutions that have emerged as the most suitable concerned the use of the technology 802.11p with or without infrastructure. In the case of solutions with infrastructure, a number of access points broadcast information with coverage areas most often disjointed. Given the size of area used and/or flow devoted to this type of applications, the transition to a single access point is not enough to download these maps. It is then to define strategies of information dissemination. A first study was to compare a unicast strategy face to broadcast/multicast strategy. The latter appears largely improved. A combination of these principles does not improve system performance, because the flow devoted to unicast transmission does not compensate for the flow not used by the broadcast. The problem is duplicate chunks received by vehicles passing from several consecutive access points. To mitigate the phenomenon of duplication, we used the linear network coding pseudorandom. The idea is that the access point broadcasts linear combinations of chunks of files. The large number of these linear combinations significantly reduces this phenomenon. In a complementary manner, we investigated the use of ad hoc communications to fill the missing chunks of file, particularly in the absence of infrastructure. We verified that we could achieve good results in this context based on the diversity of chunks of files which are owned by the encountered vehicles.

Véhicule-à-tous (V2X) se réfère à un Système de Transport Intelligent (ITS) où les véhicules et l'infrastructure sont interconnectés. Cette connectivité permet une connaissance précise des conditions de circulation sur l'ensemble du réseau routier, ce qui contribue à améliorer la sécurité routière, réduire les temps d'encombrement et éviter les pertes économiques. Cette communication permet aussi une variété de nouvelles applications pour la sécurité routière et l'infodivertissement. Bien que la communauté de scientifique ait réalisé de grands progrès dans l'étude sur le V2X, il reste encore des défis à surmonter et des problèmes clés qui doivent être étudiés plus en profondeur. Cette thèse considère deux des questions les plus importantes; fiabilité et sécurité des communications V2X. Du point de vue de la fiabilité, nous proposons d'abord une méthode basée sur la modélisation de l'utilisateur pour évaluer la capacité de la norme DSRC IEEE 802.11p à répondre aux exigences de Qualité De Service (QoS) de la diffusion des messages de sécurité. La nouveauté de la méthode réside dans son application qui élimine le problème de la définition d'un modèle Markovien par la détermination des moments d'équilibre du processus de retard. Cette méthode fournit des informations importantes sur les paramètres de conception IEEE 802.11p et sur ses fonctionnalités, ce qui permet d'améliorer la configuration proposée. De plus, nous proposons un modèle Régénératif pour résoudre le problème de la caractérisation des processus de trafic interconnecté dans les réseaux V2X hybrides à grande échelle. Ce dernier est une préoccupation majeure pour parvenir à une opérabilité efficace et adéquate pour les réseaux de véhicules à grande échelle. Du point de vue de la sécurité, nous introduisons une nouvelle méthodologie d'optimisation. Notre méthodologie lie les exigences de QoS des différentes classes d'application avec le paramètre de conception de base du mécanisme de résolution de contention dans le protocole MAC IEEE 802.11p. En outre, un nouvel algorithme de détection d'attaque de brouillage dans l'environnement véhiculaire est proposé. L'algorithme utilise la méthodologie d'optimisation développée pour définir un seuil de détection et intègre la méthode séquentielle de détection pour détecter les attaques de brouillage à chaque fois que la valeur seuil est franchie. Des expérimentations analytiques et de simulation approfondies ont été effectuées pour chaque contribution afin de montrer la validité des méthodes/modèles proposés et de prouver leur efficacité. / Vehicle-to-anything (V2X) refers to an Intelligent Transportation System (ITS) where the vehicles and infrastructure systems are all interconnected with each other. This connectivity provides precise knowledge of the traffic situations across the entire road network which in turn helps to enhance traffic safety, reduce congestion time, avoid economic losses, in addition to enable a variety of novel ITS applications for road safety and passenger infotainment. V2X communications is based on two technologies; Dedicated Short-Range Communications (DSRC) which is an essential technology for realizing V2X and cellular networks which provide an o_-the-shelf potential solution for V2X communications. Although the research community has achieved much great progress on V2X study, there are still some challenges that need to be overcome and some key issues that need to be further investigated. This thesis considers two of the most prominent issues; reliability and security of V2X communications. From the reliability perspective, we first propose User Model-based Method to evaluate the capacity of IEEE 802.11p-based DSRC standard to meet the Quality-of-Service (QoS) requirements of safety messages dissemination. The novelty of the method lies in its application which avoids the problem of defining a Markovian model by determining the steady state moments of the induced delay process. This applicability feature provides important insights about IEEE 802.11p design parameters and its functionality leading to proposed reconfigurations for enhanced performance. Moreover, we propose Regenerative model, that we believe to be the first to address the problem of interconnected-traffic process characterization in large-scale hybrid V2X networks. The latter is a primary concern in achieving efficient and adequate operability for large-scale vehicular networks. From the security perspective, we introduce a new optimization methodology which ties the QoS requirements of different application classes with the basic design parameters of the contention resolution mechanism in IEEE 802.11p MAC protocol. In addition, a novel detection algorithm for jamming attacks in the vehicular environment is proposed. The algorithm utilizes the developed optimization methodology to de_ne a detection threshold. By integrating the sequential detection of change method it traces and detects jamming attacks whenever the threshold value is crossed. Analytical and simulation experimentations have been performed for each contribution to show the validity of the proposed methods/models and to prove their efficiency.

Au cours des dernières années, les communications inter-véhicule (IVC) sont devenues un domaine de recherche intensif, en particulier dans le cadre des systèmes de transport intelligents. Il suppose que la totalité ou une partie des véhicules est équipé de dispositifs radio permettant la communication entre eux. La norme IEEE 802.11p (normalisé pour la communication des véhicules) devrait être la technologie de facto pour ces communications. En utilisant son mode ad hoc, cette technologie radio permet aux véhicules d'étendre la portée de leur communication en formant un réseau multi-saut sans fil Ad - hoc, également appelé Vehicle ad hoc NETwork (VANET). Cette thèse aborde un problème fondamental des VANET : la capacité du réseau. Deux modèles théoriques simples ont été proposés dans cette thèse pour calculer cette capacité: un « packing problem » (la traduction française nous est inconnue) et un modèle Markovien. Ils offrent des formules simples et fermées sur le nombre maximum d'émetteurs simultanés, et sur la distribution de la distance entre eux. Une borne supérieure sur cette capacité a été proposée. De plus, le modèle Markovien a permis de proposer une formule analytique sur la distribution spatiale des émetteurs. Ces quantités nous permettent, entre autres, de paramétrer le mécanisme d’accès au medium du 802.11p, comme par exemple le seuil du CCA (Clear Channel Assessment), amenant à une optimisation de la capacité du réseau. Afin de valider les différentes contributions théoriques de cette thèse, les résultats des modèles analytiques ont été comparés à des simulations effectuées avec le simulateur de réseau NS-3. Les paramètres de simulations ont été estimés à partir d’expérimentations réelles. De plus, différentes distributions de trafic (trafic de véhicules) ont été considéré afin d’évaluer leur impact sur la capacité du réseau. L’une des applications de cette thèse est le dimensionnement des applications de sécurité routière vis-à-vis de la consommation des ressources réseau. Dans ce cadre, nous nous sommes intéressés aux reconstructions de cartes. Il faut comprendre ICI LA reconstitution de l’environnement d’un véhicule (perception map). Ces applications utilisent des informations provenant de capteurs locaux et distants afin d’offrir un système d’aide à la conduite (conduite autonome, alerte sur des collisions, annonce de situations accidentogènes, etc.). Ces applications nécessitent une bande passante élevée. Notre étude théorique a montré que cette bande passante ne sera sans doute pas disponible en pratique dans les réseaux IEEE 802.11p. Par conséquent, UN algorithme adaptatif de contrôle de puissance a été proposé et optimisé pour cette application particulière. Nous avons montré que notre algorithme, par le biais d'un modèle analytique et d'un grand nombre de simulations que la capacité du réseau est augmentée de manière significative. / In recent years, Inter Vehicle Communication (IVC) has become an intensive research area, as part of Intelligent Transportation Systems. It supposes that all, or a subset of the vehicles is equipped with radio devices, enabling communication between them. IEEE 802.11p (standardized for vehicular communication) shows a great deal of promise. By using ad hoc mode, this radio technology allows vehicles to extend their scopes of communication and thus forming a Multi-hop wireless Ad-hoc NETwork, also called Vehicular Ad-hoc NETwork (VANET). This thesis addresses a fundamental problem of VANET: the network capacity. Two simple theoretical models to estimate this capacity have been proposed: a packing model and a Markovian point process model. They offer simple and closed formulae on the maximum number of simultaneous transmitters, and on the distribution of the distance between them. An accurate upper bound on the maximum capacity had been derived. An analytical formula on distribution of the transmitters had been presented. This distribution allows us to optimize Clear Channel Assessment (CCA) parameters that leads to an optimization of the network capacity.In order to validate the approach of this thesis, results from the analytical models are compared to simulations performed with the network simulator NS-3. Simulation parameters was estimated from real experimentation. Impact of different traffic distributions (traffic of vehicles) on the network capacity is also studied. This thesis also focuses on extended perception map applications, which use information from local and distant sensors to offer driving assistance (autonomous driving, collision warning, etc.). Extended perception requires a high bandwidth that might not be available in practice in classical IEEE 802.11p ad hoc networks. Therefore, this thesis proposes an adaptive power control algorithm optimized for this particular application. It shows through an analytical model and a large set of simulations that the network capacity is then significantly increased.

Les exigences de Qualité de Service (QoS) des applications VANET varient selon la nature et le type de l’application. Par conséquent, un protocole de communication VANET doit pouvoir répondre aux diverses exigences de QoS selon le type du trafic. Dans VANET, le canal de transmission est partagé par tous les véhicules en utilisant une même fréquence radio. Une mauvaise exploitation du canal peut donc conduire à des collisions et peut aussi engendrer un gaspillage de la bande passante. Un protocole MAC doit être alors conçu pour partager le canal entre les différents noeuds d’une manière efficace et équitable.Dans cette thèse nous présentons les contributions suivantes :1- Analyse et amélioration de la diffusion dans la norme IEEE 802.11.2- Optimisation de la technique CSMA pour des réseaux 1D et 2D.3- Développement d’un algorithme CSMA de transmission adaptatif qui met à jour le taux de détection de la porteuse en fonction d’une valeur de référence.4- Étude du gain obtenu par l’utilisation d’antennes directionnelles pour Aloha, Aloha non-slotté, et CSMA. / Quality of Service (QoS) requirements for VANET applications vary depending on the nature and type of the application. Therefore, a communication protocol in VANETs must be able to meet various QoS requirements according to the type of traffic. In VANET, the transmission channel is shared by all the vehicles using the same radio frequency. A poor exploitation of the channel can therefore lead to collisions and wasted bandwidth. A MAC protocol must therefore be designed to share the channel between the different nodes in an efficient and fair way.In this thesis we present the following contributions:1- Analysis and improvement of diffusion in the IEEE 802.11 standard.2- Optimization of the CSMA technique for 1D and 2D networks.3- Design of an adaptive transmission algorithm that updates the Carrier Sense threshold to reach a target value.4- Study the gain obtained by the use of directional antennas for Aloha, non-slotted Aloha, and CSMA.

A incorporação das tecnologias de computação e de comunicação nos veículos modernos está viabilizando uma nova geração de automóveis conectados. Com a capacidade de se organizarem em rede, nas chamadas redes veiculares ad hoc (VANETs), eles poderão, num futuro próximo, (i) tornar o trânsito mais seguro para os motoristas, passageiros e pedestres e/ou (ii) promover uma experiência de transporte mais agradável, com maior conforto. É neste contexto que se destaca o Sensoriamento Veicular Colaborativo (VCS), um paradigma emergente e promissor que explora as tecnologias já embarcados nos próprios veículos para a obtenção de dados in loco. O VCS tem demonstrado ser um modelo auspicioso para o desenvolvimento e implantação dos Sistemas Inteligentes de Transporte (ITSs). Ocorre, todavia, que, em grandes centros urbanos, dependendo do fenômeno a ser monitorado, as aplicações de VCS podem gerar um tráfego de dados colossal entre os veículos e o centro de monitoramento. Considerando que as informações dos automóveis são geralmente enviadas para um servidor remoto usando as infraestruturas das redes móveis, o número massivo de transmissões geradas durante as atividades de sensoriamento pode sobrecarregá-las e degradar consideravelmente a Qualidade de Serviço (QoS) que elas oferecem. Este documento de tese descreve e analisa uma abordagem de clusterização geográfica que se apoia no uso de comunicações Veículo-para-Veículo (V2V) para promover o descarregamento de dados do VCS em redes celulares, de forma a minimizar os impactos supracitados. Os resultados experimentais obtidos mostraram que o uso das comunicações V2V como método complementar de aquisição de dados in loco foi capaz de diminuir consideravelmente a quantidade transmissões realizadas sobre as redes móveis, sem a necessidade de implantação de novas infraestruturas de comunicação no ambiente, e com um reduzido atraso médio adicional fim a fim na obtenção das informações. A abordagem desenvolvida também se apresenta como uma plataforma de software flexível sobre a qual podem ser incorporadas técnicas de agregação de dados, o que possibilitaria aumentar ainda mais a preservação dos recursos de uplink das redes celulares. Considerando que a era da Internet das Coisas (IoT) e das cidades inteligentes está apenas começando, soluções para o descarregamento de dados, tal como a tratada nesta pesquisa, são consideradas imprescindíveis para continuar mantendo a rede móvel de acesso à Internet operacional e capaz de suportar uma demanda de comunicação cada vez maior por parte das aplicações. / The incorporation of computing and communication technologies into modern vehicles is enabling a new generation of connected cars. With the ability to get into a network formation, in the so-called ad hoc networks (VANETs), these vehicles might, in the near future, (i) make the traffic safer for drivers, passengers and pedestrians and/or (ii) promote a more pleasant transportation experience, with greater comfort. It is in this context that emerges the Vehicle CrowdSensing (VCS), a novel and promising paradigm for performing in loco data collection from the vehicles embedded technologies. VCS has proved to be an auspicious scheme for the development and deployment of the Intelligent Transport Systems (ITSs). However, in large urban areas, depending on the phenomenon to be monitored, the VCS applications can generate a colossal data traffic between vehicles and the monitoring center. Considering that all the vehicles information is generally sent to the remote server by using mobile network infrastructures, this massive amount of transmissions generated during the sensing activities can overload them and degrade the Quality of Service (QoS) they offer. This thesis document describes and analyzes a geographic clustering approach that relies on the use of Vehicle-to- Vehicle (V2V) communications to promote the VCS data offloading in cellular networks, in order to minimize the above impacts. The experimental results obtained showed that the use of V2V communications as a complementary data acquisition method was able to considerably reduce the number of transmissions carried out on mobile networks, without the need for deploying new communication infrastructures in the environment, and with a reduced additional delay. The created approach also stands itself as a flexible software platform on which data aggregation techniques can be incorporated, in order to maximize the network resources preservation already provided by the proposal. Considering that we are just entering in the Internet of Things (IoT) and smart cities era, creating data offloading solutions, such as that treated in this research, is considered an essential task to keep the Internet access network operational and able to support the growing demand for mobile communications.