Vehicle-to-infrastructure (V2I) and vehicle-to-vehicle (V2V) communication enable the sharing, in real time, of vehicular locations and speeds with other vehicles, traffic signals, and traffic control centers. This shared information can help traffic to better traverse intersections, road segments, and congested neighborhoods, thereby reducing travel times, increasing driver safety, generating data for traffic planning, and reducing vehicular pollution. This study, which focuses on vehicular pollution, used an analysis of data from NREL, BTS, and the EPA to determine that the widespread use of V2V-based truck platooning—the convoying of trucks in close proximity to one another so as to reduce air drag across the convoy—could eliminate 37.9 million metric tons of CO2 emissions between 2022 and 2026.

[pt] Modelagem e Controle Não Linear de um Veículo Terrestre sobre Suspensão descreve um estudo em dinâmica veicular no qual inicialmente apresenta-se um modelo analítico para representar a geração de forças longitudinais e laterais no contato do pneu com o solo. Em seguida é desenvolvido, para um automóvel de passeio terrestre sobre suspensão, um modelo não linear de 4 graus de liberdade (velocidades longitudinal, lateral, de guinada e de rolagem), e a sua linearização. Expande-se esse modelo para um de 8 graus de liberdade, no qual inclui-se o movimento de rotação axial de cada uma das quatro rodas, e consideram-se os movimentos do veículo somente no plano, sem efeitos de pitch ou bounce, mas apresentando alguma relação de distribuição de cargas devido ao roll. Descrevem-se ainda modelos em Grafos de Ligação para os três dinâmicas de um veículo terrestre (longitudinal, lateral e vertical) e seus acoplamentos, visando futuras análises mais detalhadas desse sistema. Todos os modelos em malha aberta são validados através simulações computacionais em diversas condições típicas de operação. Na segunda parte desse trabalho é apresentada a estratégia proposta para o tratamento do problema de controle direcional do veículo em uma manobra qualquer, empregando a metodologia da linearização por realimentação, tendo como base o modelo linear de 4 graus de liberdade. São analisados os resultados encontrados através de simulação computacional para a malha fechada com diferentes combinações de parâmetros, empregando os modelos não lineares de 4 e 8 graus de liberdade. Conclui-se discutindo a possibilidade de generalização deste procedimento para diferentes aplicações em Dinâmica Veicular. / [en] Modeling and Non Linear Control of a Ground Vehicle's Steering describles a study in vehicle dynamics, which presents an analytic model representing the generation of longitudinal and lateral forces at the contact patch between tire and ground. Next it is developed, for a typical passenger car, a non-linear model with four degrees of freedom (longitudinal, lateral, yaw and roll velocities), and its linearization. This model is then expanded to another one with eight degrees of freedom, which includes the axial rotation of each one of the four wheels, and considers the vehicle's movement only at a known plane, whithoud pitch and bounce effects, but including some load distribution among the wheels, due to roll. Computational simulation in varius typical operation condition validate all open loop models. The second part of this work presents the proposed strategy for directional control of a vehicle at any type of manoeuvre, using the feedback linearization methodology, directly applied to the linear four degrees of freedom model. Theresults obtained trhough computational simulation for a closed loop model with different parameters are analysed using both nonlinear four and eight degrees of freedom models. The possibility of generalizing this procedure to distinct applications in Vehicle Dynamics is, then, discussed.

L'objectif principal de cette thèse est l'étude de l'exploitation de systèmes moteurs-roues (machines électriques intégrées à la roue) pour le contrôle de la dynamique véhicule. Cette thèse est issue d'un co-financement (numéro 186-654, 2010-2013) entre le Laboratoire des Signaux et Systèmes (CNRS) et l'Institut Français du Pétrole et Énergies Nouvelles (IFPEN). Les avantages apportés par l'utilisation du moteur électrique sont avérés et de nouvelles techniques de contrôle sont développées pour optimiser son utilisation. Les lois de contrôle basent généralement sur la grandeur principale du moteur électrique: le couple transmis, qui peut être mesuré via le courant consommé. Une autre caractéristique importante du moteur électrique est son temps de réponse, avec le fait qu'il peut produire des couples négatifs, pour ralentir le véhicule, tout en stockant l'énergie. La nouveauté du présent travail est de considérer le moteur-roue électrique comme seul signal de contrôle dans des phases d'accélération et des phases de ralentissement, simplifiant l'architecture de la conception du véhicule et des lois de contrôle. Pour répondre à la demande conducteur tout en préservant un comportement sain du véhicule, des stratégies d'estimation de la limite d'adhérence seront présentées. En fonction de cette adhérence maximale disponible entre la route et les pneus, un couple adéquat sera calculé pour assurer un comportement stable dans des phases d'accélération aussi bien que de freinage. L'aspect critique étudié dans ce travail est la non-linéarité des caractéristiques d'interaction entre la route et le pneu et la complexité de son estimation dans des conditions variables. La stratégie d'estimation devra détecter tous les changements d'adhérence de route et la loi de contrôle calculée devra maintenir la stabilité véhicule même lorsque la friction maximale change. Certaines formes de perturbation et de bruit seront également prises en compte afin de tester la robustesse des approches d'estimation et de contrôle proposés. Parmi les systèmes de sécurité active les plus importants en phase d'accélération, le système de contrôle de traction (TCS) rétablit la traction si les roues commencent à patiner et le programme de stabilité électronique (ESP) intervient pour prévenir une perte menaçante du contrôle latéral du véhicule. Dans le cas du freinage, le système décisif est le système d'antiblocage (ou ABS), qui empêche le blocage des roues. On peut trouver d'autres systèmes embarqués, comme le système de distribution de force de freinage électronique (EBD), qui assure une distribution optimale de la force de freinage transmise aux roues, pour éviter de déraper et assure un ralentissement stable du véhicule. Les systèmes embarqués qui fournissent les estimations doivent être robustes aux bruits de mesure et aux perturbations. A fortiori, ces calculs doivent être faits en temps réel, donc une complexité réduite et une réponse rapide de la loi de contrôle sont nécessaires. Enfin, l'environnement dans lequel le véhicule fonctionne est dynamique, les caractéristiques d'adhérence peuvent varier en fonction de l'état de la route et de la météo. Ainsi, on ne peut prévoir les réactions du conducteur pouvant influencer la réponse globale du véhicule dans des situations d'urgence. Le contrôleur devrait prendre en compte tous ces aspects pour préserver un comportement stable du véhicule. Bien que le contrôle latéral du véhicule présente une importance majeure dans la stabilité globale du véhicule, le présent travail est concentré sur le contrôle longitudinal du véhicule, puisqu'il représente le point de départ de la dynamique véhicule. / The main objective of the present thesis focuses on the integration of the in-wheel electric motors into the conception and control of road vehicles. The present thesis is the subject of the grant 186-654 (2010-2013) between the Laboratory of Signals and Systems (L2S-CNRS) and the French Institute of Petrol and New Energies (IFPEN). The thesis work has originally started from a vehicular electrification project, equipped with in-wheel electric motors at the rear axle, to obtain a full electric urban use and a standard extra-urban use with energy recovery at the rear axle in braking phases. The standard internal combustion engines have the disadvantage that complex estimation techniques are necessary to compute the instantaneous engine torque. At the same time, the actuators that control the braking system have some delays due to the hydraulic and mechanical circuits. These aspects represent the primary motivation for the introduction and study of the integration of the electric motor as unique propelling source for the vehicle. The advantages brought by the use of the electric motor are revealed and new techniques of control are set up to maximize its novelty. Control laws are constructed starting from the key feature of the electric motor, which is the fact that the torque transmitted at the wheel can be measured, depending on the current that passes through the motor. Another important feature of the electric motor is its response time, the independent control, as well as the fact that it can produce negative torques, in generator mode, to help decelerate the vehicle and store energy at the same time. Therefore, the novelty of the present work is that the in-wheel electric motor is considered to be the only control actuator signal in acceleration and deceleration phases, simplifying the architecture of the design of the vehicle and of the control laws. The control laws are focused on simplicity and rapidity in order to generate the torques which are transmitted at the wheels. To compute the adequate torques, estimation strategies are set up to produce reliable maximum friction estimation. Function of this maximum adherence available at the contact between the road and the tires, an adequate torque will be computed in order to achieve a stable wheel behavior in acceleration as well as in deceleration phases. The critical issue that was studied in this work was the non-linearity of the tire-road interaction characteristics and its complexity to estimate when it varies. The estimation strategy will have to detect all changes in the road-surface adherence and the computed control law should maintain the stability of the wheel even when the maximum friction changes. Perturbations and noise are also treated in order to test the robustness of the proposed estimation and control approaches.

Cette thèse est consacrée au développement de techniques de commande avancées pour des classes de systèmes non linéaires en général et pour des applications automobiles en particulier.Pour répondre au besoin du contrôle moteur, la première partie propose des nouveaux résultats théoriques sur la technique de commande non linéaire à base de modèles de type Takagi-Sugeno soumis à la saturation de la commande. La saturation de la commande est traitée en utilisant sa représentation polytopique ou une stratégie anti-windup.La deuxième partie porte sur la commande du système d'air d'un moteur turbocompressé à allumage commandé. Deux approches originales sont proposées. Dans la première, l'outil théorique concernant les modèles Takagi-Sugeno à commutation développé dans la première partie est directement appliqué. La seconde approche est basée sur une commande linéarisante robuste. L'originalité de ces approches multivariables consiste dans sa simplicité de mise en œuvre et son efficacité par rapport à celles qui existent dans la littérature.La dernière partie vise à développer des stratégies pour la gestion énergétique des systèmes électriques d'un véhicule obtenues en se basant sur le Principe du Minimum de Pontryagin. À cet effet, deux approches sont considérées : l'approche hors ligne d'optimisation utilisant les informations du futur concernant les conditions de roulage et l'approche en ligne qui est adaptée de la précédente. Ensuite, ces deux approches sont implémentées et évaluées dans un simulateur avancé. / This thesis addresses the development of some advanced control design tools for a class of nonlinear systems in general and for automotive systems in particular.Motivated by automotive applications, Part I proposes some novel theoretical results on control design for nonlinear systems under Takagi-Sugeno form subject to the control input saturation. The input saturation is dealt with by using its polytopic representation or an anti-windup strategy.Part II deals with our automotive application concerning the control of a turbocharged air system of a spark ignition engine. To this end, two novel control approaches are proposed in this part. For the first one, the theoretical design tool on switching Takagi-Sugeno controller developed in Part I is directly applied. The second one is based on a robust feedback linearization control technique. The originality of these MIMO approaches consist in their simplicity and effectiveness compared to other ones existing in the literature.Part III aims at developing the strategies, which are based on the Pontryagin's Minimum Principle in optimal control theory, for the energy management of the vehicular electric power systems in a hybrid engine configuration. To this end, both offline optimization approach using the future information of driving conditions and online implementable one have been developed and evaluated in an advanced simulator.

Pendant les deux dernières décennies, les technologies de réseaux ad-hoc de véhicules (VANETs : Vehicular Ad-Hoc Networks) ont été développées sous l’impulsion du monde de la recherche comme de l’industrie, étant donnés les liens des VANETs avec la sécurité routière, l’internet des objets (IoT/WoT : Internet of Things/Web of Things) pour les systèmes de transport intelligents (ITS : Intelligent Transportation Systems), les villes intelligentes et les villes vertes. Composant essentiel des VANETs, les protocoles de communication inter-véhicules (IVC : Inter-Vehicle Communication) font face à des défis techniques, en particulier à cause de la diversité des applications dans lesquelles ils sont impliqués. Dans cette thèse, après une présentation des VANETs et de l’état de l’art des IVC, nous proposons un protocole de dissémination de données, TrAD, conçu pour diffuser de manière efficiente des messages d’une source vers les véhicules présents dans la zone d’intérêt (ROI : Range of Interest). TrAD se base sur les états du trafic routier et du trafic réseau pour adapter localement la stratégie et les paramètres de transmission des données afin d’optimiser les performances des applications qui l’utilisent. De plus, un algorithme de classification des clusters locaux de véhicules est conçu pour permettre l’usage de TrAD sur autoroute aussi bien qu’en ville. Pour éviter l’encombrement des canaux de communication, un mécanisme illustratif de contrôle de la congestion reposant sur une approche distribuée est utilisé. Trois protocoles IVC de l’état de l’art ont été comparés à TrAD dans des scénarios réalistes de simulation, basés sur différentes villes réelles, différents trajets et densités véhiculaires. Les performances de TrAD surpassent celles des protocoles de référence en termes de taux de délivrance des paquets (PDR : Packet Delivery Ratio), nombre de transmissions et latence. De plus, nous montrons que TrAD est tolérant, dans une certaine mesure, aux erreurs sur les données GPS. Pour s’assurer de la qualité des simulations, nous avons étudié le modèle de déplacement employé dans le simulateur de trafic, puis couplé ce dernier au simulateur de réseau, afin que les deux s’échangent des informations en temps-réel. Grâce à la compréhension acquise lors de l’analyse du modèle de déplacement, nous avons pu développer un simulateur de conduite de tramway pour la T2C (Transports en Commun de l’agglomération Clermontoise). Des tests menés sur le matériel roulant nous ont permis d’élaborer des modèles de déplacement fidèles correspondants aux diverses situations rencontrées par le tramway. L’affichage de la simulation est assuré par un flux vidéo ajusté plutôt que des images de synthèse, ce qui permet de limiter le coût de développement tout en garantissant un certain réalisme dans l’affichage. Ce projet est soutenu par la T2C pour une durée de deux ans. / In the last two decades, Vehicular Ad hoc Network (VANETs) were developed significantly by both academic institute and industries association, since VANETs originate from traffic safety and are also an important application of Internet of Things / Web of Things (IoT/WoT) for Intelligent Transportation System (ITS), Intelligent Vehicles and Smart Cities. As an essential component of VANETs, Inter-Vehicle Communication (IVC) protocols face many critical challenges, in particular, because they relate to various specific applications. In this thesis, after elaborating on related knowledge of VANETs and state-of-the-art of IVC protocols, we propose a data dissemination protocol for vehicular networking, named TrAD, to disseminate efficiently warning messages from a source to vehicles in a range of interest (ROI). TrAD considers the status of road traffic and network traffic to adapt locally the strategy and the parameters of transmissions in order to optimize the global performance of IVC application. Moreover, a local vehicular cluster classification algorithm is designed to support TrAD to be performed in both highway and urban scenarios. In addition, an illustrative congestion control mechanism is used to avoid channel congestion using a distributed approach. Three state-of-the-art IVC protocols have been compared with TrAD by means of realistic simulations. The performance of all those protocols is evaluated quantitatively in various scenarios by taking into account different real road maps, trafic routes and vehicular densities. Compared with the reference protocols, TrAD gains an outstanding overall performance in terms of packet delivery ratio, number of transmissions and delay. Furthermore, TrAD also can tolerate a reasonable degree of GPS drift while achieving efficient data dissemination. In order to ensure the quality of simulations, we deeply investigated the mobility model of road traffic simulator, and then performed the bidirectionally coupled simulation in which the network simulator and the road trafic simulator can exchange information in real-time. Upon understanding of the mobility model, we obtained a chance to develop a low-cost tram simulator for the local public transportation provider, the T2C (Transports en Commun de l’agglomération Clermontoise). We attempt to design accurate mobility models from different scenarios for the specific type of tram used by T2C. Real world trials are carried out to explore the key parameters required by theoretical deduction for our mobility model. Moreover, the display GUI relies on a video stream, rather than 3D graphics, which can reduce the cost while guaranteeing the quality of service. This project was supported for two years by T2C.

The work in this thesis is concerned with two complementary aspects of wireless networks research; performance analysis and resource optimization. The first part of the thesis focusses on the performance analysis of IEEE 802.11(e) wireless local area networks. We study the distributed coordination function (DCF) and the enhanced distributed channel access (EDCA) MAC of the IEEE 802.11(e) standard. We consider n IEEE 802.11(e) DCF (EDCA) nodes operating as a single cell; by single cell, we mean that every packet transmission can be heard by every other node. Packet loss is attributed only to simultaneous transmissions by the nodes (i.e., collisions). Using the well known decoupling approximation [19], we characterize the collision behaviour and the throughput performance of the WLAN with a set of fixed point equations involving the backoff parameters of the nodes. We observe that the fixed point equations can have multiple solutions, and in such cases, the system exhibits multistability and short-term unfairness of throughput. Also, the fixed point analysis fails to characterize the average system behaviour when the system has multiple solutions. We then obtain sufficient conditions (in terms of the backoff parameters of the nodes) under which the fixed point equations have a unique solution. For such cases, using simulations, we observe that the fixed point analysis predicts the long term time average throughput behaviour accurately. Then, using the fixed point analysis, we study throughput differentiation provided by the different backoff parameters, including minimum contention window (CWmin), persistence factor and arbitration interframe space (AIFS) of the IEEE 802.11e standard. Finally, we extend the above results to the case where the receiver supports physical layer capture. In the second part of the thesis, we study resource allocation and optimization problems for a variety of wireless network scenarios. For a dense wireless network, deployed over a small area and with a network average power constraint, we show that single cell operation (the channel supports only one successful transmission at any time) is throughput efficient in the asymptotic regime (in which the network average power is made large). We show that, for a realistic path loss model and a physical interference model (SINR based), the maximum aggregate bit rate among arbitrary transmitter-receiver pairs scales only as Θ(log(¯P)), where¯P is the network average power. Spatial reuse is ineffective and direct transmission between source destination pairs is the throughput optimal strategy. Then, operating the network with only a single successful transmission permitted at a time, and with CSMA being used to select the successful transmitter-receiver pair, we consider the situation in which there is stationary spatiotemporal channel fading. We study the optimal hop length (routing strategy) and power control (for a fading channel) that maximizes the network aggregate throughput for a given network power constraint. For a fixed transmission time scheme, we study the throughput maximizing schedule under homogeneous traffic and MAC assumptions. We also characterize the optimal operating point (hop length and power control) in terms of the network power constraint and the channel fade distribution. It is now well understood that in a multihop network, performance can be enhanced if, instead of just forwarding packets, the network nodes create output packets by judiciously combining their input packets, a strategy that is called “network coding.” For a two link slotted wireless network employing a network coding strategy and with fading channels, we study the optimal power control and optimal exploitation of network coding opportunities that minimizes the average power required to support a given arrival rate. We also study the optimal power-delay tradeoff for the network. Finally, we study a vehicular network problem, where vehicles are used as relays to transfer data between a pair of stationary source and destination nodes. The source node has a file to transfer to the destination node and we are interested in the delay minimizing schedule for the vehicular network. We characterize the average queueing delay (at the source node) and the average transit delay of the packets (at the relay vehicles) in terms of the vehicular speeds and their interarrival times, and study the asymptotically optimal tradeoff achievable between them.

The thesis is composed of two main parts. The first part deals with a microscopic traffic flow theory. Models describing the individual acceleration, deceleration and lane-changing behavior are formulated and the emerging collective traffic dynamics are investigated by means of numerical simulations. The models and simulation tools presented provide the methodical prerequisites for the second part of the thesis in which a novel concept of a traffic-adaptive control strategy for ACC systems is presented. The impact of such systems on the traffic dynamics can solely be investigated and assessed by traffic simulations. The focus is on future adaptive cruise control (ACC) systems and their potential applications in the context of vehicle-based intelligent transportation systems. In order to ensure that ACC systems are implemented in ways that improve rather than degrade traffic conditions, the thesis proposes an extension of ACC systems towards traffic-adaptive cruise control by means of implementing an actively jam-avoiding driving strategy. The newly developed traffic assistance system introduces a driving strategy layer which modifies the driver's individual settings of the ACC driving parameters depending on the local traffic situation. Whilst the conventional operational control layer of an ACC system calculates the response to the input sensor data in terms of accelerations and decelerations on a short time scale, the automated adaptation of the ACC driving parameters happens on a somewhat longer time scale of, typically, minutes. By changing only temporarily the comfortable parameter settings of the ACC system in specific traffic situations, the driving strategy is capable of improving the traffic flow efficiency whilst retaining the comfort for the driver. The traffic-adaptive modifications are specified relative to the driver settings in order to maintain the individual preferences. The proposed system requires an autonomous real-time detection of the five traffic states by each ACC-equipped vehicle. The formulated algorithm is based on the evaluation of the locally available data such as the vehicle's velocity time series and its geo-referenced position (GPS) in conjunction with a digital map. It is assumed that the digital map is complemented by information about stationary bottlenecks as most of the observed traffic flow breakdowns occur at these fixed locations. By means of a heuristic, the algorithm determines which of the five traffic states mentioned above applies best to the actual traffic situation. Optionally, inter-vehicle and infrastructure-to-car communication technologies can be used to further improve the accuracy of determining the respective traffic state by providing non-local information. By means of simulation, we found that the automatic traffic-adaptive driving strategy improves traffic stability and increases the effective road capacity. Depending on the fraction of ACC vehicles, the driving strategy "passing a bottleneck" effects a reduction of the bottleneck strength and therefore delays (or even prevents) the breakdown of traffic flow. Changing to the driving mode "leaving the traffic jam" increases the outflow from congestion resulting in reduced queue lengths in congested traffic and, consequently, a faster recovery to free flow conditions. The current travel time (as most important criterion for road users) and the cumulated travel time (as an indicator of the system performance) are used to evaluate the impact on the quality of service. While traffic congestion in the reference scenario was completely eliminated when simulating a proportion of 25% ACC vehicles, travel times were significantly reduced even with much lower penetration rates. Moreover, the cumulated travel times decreased consistently with the increase in the proportion of ACC vehicles. / In der Arbeit wird ein neues verkehrstelematisches Konzept für ein verkehrseffizientes Fahrverhalten entwickelt und als dezentrale Strategie zur Vermeidung und Auflösung von Verkehrsstaus auf Richtungsfahrbahnen vorgestellt. Die operative Umsetzung erfolgt durch ein ACC-System, das um eine, auf Informationen über die lokale Verkehrssituation basierende, automatisierte Fahrstrategie erweitert wird. Die Herausforderung bei einem Eingriff in das individuelle Fahrverhalten besteht - unter Berücksichtigung von Sicherheits-, Akzeptanz- und rechtlichen Aspekten - im Ausgleich der Gegensätze Fahrkomfort und Verkehrseffizienz. Während sich ein komfortables Fahren durch große Abstände bei geringen Fahrzeugbeschleunigungen auszeichnet, erfordert ein verkehrsoptimierendes Verhalten kleinere Abstände und eine schnellere Anpassung an Geschwindigkeitsänderungen der umgebenden Fahrzeuge. Als allgemeiner Lösungsansatz wird eine verkehrsadaptive Fahrstrategie vorgeschlagen, die ein ACC-System mittels Anpassung der das Fahrverhalten charakterisierenden Parameter umsetzt. Die Wahl der Parameter erfolgt in Abhängigkeit von der lokalen Verkehrssituation, die auf der Basis der im Fahrzeug zur Verfügung stehenden Informationen automatisch detektiert wird. Durch die Unterscheidung verschiedener Verkehrssituationen wird ein temporärer Wechsel in ein verkehrseffizientes Fahrregime (zum Beispiel beim Herausfahren aus einem Stau) ermöglicht. Machbarkeit und Wirkungspotenzial der verkehrsadaptiven Fahrstrategie werden im Rahmen eines mikroskopischen Modellierungsansatzes simuliert und hinsichtlich der kollektiven Verkehrsdynamik, insbesondere der Stauentstehung und Stauauflösung, auf mehrspurigen Richtungsfahrbahnen bewertet. Die durchgeführte Modellbildung, insbesondere die Formulierung eines komplexen Modells des menschlichen Fahrverhaltens, ermöglicht eine detaillierte Analyse der im Verkehr relevanten kollektiven Stabilität und einer von der Stabilität abhängigen stochastischen Streckenkapazität. Ein tieferes Verständnis der Stauentstehung und -ausbildung wird durch das allgemeine Konzept der Engstelle erreicht. Dieses findet auch bei der Entwicklung der Strategie für ein stauvermeidendes Fahrverhalten Anwendung. In der Arbeit wird die stauvermeidende und stauauflösende Wirkung eines individuellen, verkehrsadaptiven Fahrverhaltens bereits für geringe Ausstattungsgrade nachgewiesen. Vor dem Hintergrund einer zu erwartenden Verbreitung von ACC-Systemen ergibt sich damit eine vielversprechende Option für die Steigerung der Verkehrsleistung durch ein teilautomatisiertes Fahren. Der entwickelte Ansatz einer verkehrsadaptiven Fahrstrategie ist unabhängig vom ACC-System. Er erweitert dessen Funktionalität im Hinblick auf zukünftige, informationsbasierte Fahrerassistenzsysteme um eine neue fahrstrategische Dimension. Die lokale Interpretation der Verkehrssituation kann neben einer verkehrsadaptiven ACC-Regelung auch der Entwicklung zukünftiger Fahrerinformationssysteme dienen.

De nos jours, la voiture est devenue le mode de transport le plus utilisé, mais malheureusement, il est accompagné d’un certain nombre de problèmes (accidents, pollution, embouteillages, etc.), qui vont aller en s’aggravant avec l’augmentation prévue du nombre de voitures particulières, malgré les efforts très importants mis en œuvre pour tenter de les réduire ; le nombre de morts sur les routes demeure très important. Les réseaux sans fil de véhicules, appelés VANET, qui consistent de plusieurs véhicules mobiles sans infrastructure préexistante pour communiquer, font actuellement l’objet d'une attention accrue de la part des constructeurs et des chercheurs, afin d’améliorer la sécurité sur les routes ou encore les aides proposées aux conducteurs. Par exemple, ils peuvent avertir d’autres automobilistes que les routes sont glissantes ou qu’un accident vient de se produire. Dans VANET, les protocoles de diffusion (broadcast) jouent un rôle très important par rapport aux messages unicast, car ils sont conçus pour transmettre des messages de sécurité importants à tous les nœuds. Ces protocoles de diffusion ne sont pas fiables et ils souffrent de plusieurs problèmes, à savoir : (1) Tempête de diffusion (broadcast storm) ; (2) Nœud caché (hidden node) ; (3) Échec de la transmission. Ces problèmes doivent être résolus afin de fournir une diffusion fiable et rapide. L’objectif de notre recherche est de résoudre certains de ces problèmes, tout en assurant le meilleur compromis entre fiabilité, délai garanti, et débit garanti (Qualité de Service : QdS). Le travail de recherche de ce mémoire a porté sur le développement d’une nouvelle technique qui peut être utilisée pour gérer le droit d’accès aux médias (protocole de gestion des émissions), la gestion de grappe (cluster) et la communication. Ce protocole intègre l'approche de gestion centralisée des grappes stables et la transmission des données. Dans cette technique, le temps est divisé en cycles, chaque cycle est partagé entre les canaux de service et de contrôle, et divisé en deux parties. La première partie s’appuie sur TDMA (Time Division Multiple Access). La deuxième partie s’appuie sur CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance) pour gérer l’accès au medium. En outre, notre protocole ajuste d’une manière adaptative le temps consommé dans la diffusion des messages de sécurité, ce qui permettra une amélioration de la capacité des canaux. Il est implanté dans la couche MAC (Medium Access Control), centralisé dans les têtes de grappes (CH, cluster-head) qui s’adaptent continuellement à la dynamique des véhicules. Ainsi, l’utilisation de ce protocole centralisé nous assure une consommation efficace d’intervalles de temps pour le nombre exact de véhicules actifs, y compris les nœuds/véhicules cachés; notre protocole assure également un délai limité pour les applications de sécurité, afin d’accéder au canal de communication, et il permet aussi de réduire le surplus (overhead) à l’aide d’une propagation dirigée de diffusion. / Nowadays, the car has become the most popular mode of transport, but unfortunately its use is accompanied by a number of problems (accidents, pollution, congestion, etc.). These problems will get worse with the increase in the number of passenger cars, despite very significant efforts made to reduce the number of road deaths, which is still very high. Wireless networks for vehicles called VANET (Vehicle Ad Hoc Networks), were developed when it became possible to connect several mobile vehicles without relying on pre existing communication infrastructures. These networks have currently become the subject of increased attention from manufacturers and researchers, due to their potential for improving road safety and/or offering assistance to drivers. They can, for example, alert other drivers that roads are slippery or that an accident has just occurred. In VANETs, broadcast protocols play a very important role compared to unicast protocols, since they are designed to communicate important safety messages to all nodes. Existing broadcast protocols are not reliable and suffer from several problems: (1) broadcast storms, (2) hidden nodes, and (3) transmission failures. These problems must solved if VANETs are to become reliable and able to disseminate messages rapidly. The aim of our research is to solve some of these problems while ensuring the best compromise among reliability, guaranteed transmission times and bandwidth (Quality of Service: QoS). The research in this thesis focuses on developing a new technique for managing medium access. This protocol incorporates the centralized management approach involving stable clusters. In this technique, time is divided into cycles; with each cycle being shared among the control and service channels, and is divided into two segments. The first is based on TDMA (Time Division Multiple Access) while the second is based on CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) to manage access to the medium. Furthermore, our protocol adaptively adjusts the time consumed in broadcasting safety messages, thereby improving channel capacity. It is implemented in the MAC (Medium Access Control), and centralized in stable cluster heads that are able to adapt to the dynamics of vehicles. This protocol provides a centralized and efficient use of time intervals for an exact number of active vehicles, including hidden nodes/vehicles. Our protocol also provides time intervals dedicated to security applications for providing access to communication channels, and also reduces overhead via directed diffusion of data. Keywords: Ad-hoc networks, VANET, Vehicle, Periodic Safety Messages, broadcast protocols, contention-free.

Le parking intelligent, permettant aux conducteurs d'accéder aux informations de stationnement sur leurs appareils mobiles, réduit les difficultés des usagers. Tout d'abord, nous mettons en lumière la manière de recueillir les informations de parking en introduisant une architecture de réseaux de capteurs multi-saut, et les modèles d'intensité applicative en examinant la probabilité d'arrivées et de départs de véhicules. Puis nous étudions la stratégie de déploiement des réseaux de capteurs et définissons un problème multi-objectifs, puis nous le résolvons sur deux cartes de parking réelles. Ensuite, nous définissons un service Publish-Subscribe pour fournir aux conducteurs des informations pertinentes. Nous illustrons le système dans des réseaux véhiculaires et mobiles et soulignons l'importance du contenu et du contexte du message au conducteur. Afin d'évaluer la résilience du système, nous proposons un modèle Publish-Subscribe étendu et nous l'évaluons dans différentes circonstances imprévues. Notre travail est basé sur la prémisse que les capteurs de parking sont déployés à une grande échelle dans la ville. Nous considérons une vue d'ensemble des services urbains du point de vue de la municipalité. Ainsi, nous faisons la lumière sur deux thèmes principaux: la collecte d'informations sur le déploiement de capteurs et un modèle étendu de Publish-Subscribe. Notre travail donne un guide avant de démarrer un projet de parking intelligent ou tout service urbain similaire en temps réel. Il fournit également une plate-forme d'évaluation valable pour tester des jeux de données plus réalistes, comme des traces de véhicules ou de trafic réseau. / Smart parking, allowing drivers to access parking information through their smart-phone, is proposed to ease drivers' pain. We first spotlight the manner to collect parking information by introducing the multi-hop sensor network architecture, and how the network is formed. We then introduce the traffic intensity models by looking at the vehicle's arrival and departure probabilities, following the heavy-tailed distribution. We study the deployment strategy of wireless on-street parking sensor layouts. We define a multiple-objective problem and solve it with two real street parking maps. In turn, we present a Publish-Subscribe service system to provide good parking information to drivers. We illustrate the system with a vehicular network and point out the importance of content and context of a driver’s message. To evaluate the resilience, we propose an extended Publish-Subscribe model, and evaluate it under different unforeseen circumstances. Our work is based on the premise that large-scale parking sensors are deployed in the city. We look at the whole picture of urban service from viewpoint of the municipality. As such, we shed light on two main topics: the information collection on sensor deployment and an extended version of Publish-Subscribe messaging paradigm. Our work gives a guideline from network-related perspectives for city before launching a smart parking or any similar real-time urban service. It also provides a meaningful evaluation platform for testing more realistic datasets, such as real vehicle traces or network traffic.

Cette thèse présente des applications véhiculaires à différentes échelles : de la petite qui permet d'effectuer des tests réels de communication et de service ; à des plus grandes incluant plus de contraintes mais permettant des simulations sur l'ensemble du réseau. Dans ce contexte nous soulignons l'importance d'avoir et de traiter des données réelles afin de pouvoir interpréter correctement les résultats. A travers ces échelles nous proposons différents services utilisant la communication V2V et V2I. Nous ne prétendons pas prendre le contrôle du véhicule, notre but est de montrer le potentiel de la communication à travers différents services. La petite échelle se focalise sur un service à un feu de circulation permettant d'améliorer les temps de parcours et d'attente, et la consommation en CO2 et en carburant. La moyenne échelle se situant sur un rond-point, permet grâce à un algorithme décentralisé, d'améliorer ces mêmes paramètres, mais montre également qu'avec une prise de décision simple et décentralisée, le système est robuste face à la perte de paquet, à la densité, aux comportements humains ou encore aux taux d'équipement. Enfin à l'échelle d'une ville, nous montrons que grâce à des décisions prises de manière locale et décentralisée, avec seulement un accès à une information partielle dans le réseau, nous obtenons des résultats proches des solutions centralisées. La quantité de données transitant ainsi dans le réseau est considérablement diminuée. Nous testons également la réponse de ces systèmes en cas de perturbation plus ou moins importante tels que des travaux, un acte terroriste ou une catastrophe naturelle. Les modèles permettant une prise de décision locale grâce aux informations délivrées autour du véhicule montrent leur potentiel que se soit avec de la communication avec l'infrastructure V2I ou entre les véhicules V2V. / In this thesis we present vehicular applications across different scales: from small scale that allows real tests of communication and services; to larger scales that include more constraints but allowing simulations on the entire network. In this context, we highlight the importance of real data and real urban topology in order to properly interpret the results of simulations. We describe different services using V2V and V2I communication. In each of them we do not pretend to take control of the vehicle, the driver is present in his vehicle, our goal is to show the potential of communication through services taking into account the difficulties outlined above. In the small scale, we focus on a service with a traffic light that improves travel times, waiting times and CO2 and fuel consumption. The medium scale is a roundabout, it allows, through a decentralized algorithm, to improve the same parameters. It also shows that with a simple and decentralized decision-making process, the system is robust to packet loss, density, human behavior or equipment rate. Finally on the scale of a city, we show that local and decentralized decisions, with only a partial access to information in the network, lead to results close to centralized solutions. The amount of data in the network is greatly reduced. We also test the response of these systems in case of significant disruption in the network such as roadworks, terrorist attack or natural disaster. Models, allowing local decision thanks to information delivered around the vehicle, show their potential whatsoever with the V2I communication or V2V.