1. Contexte
et objectifs
Les communications sans-fil se sont imposées progressivement comme moyen de
communication pour la gestion, le contrôle et la coopération dans les systèmes
de transport terrestre. Le système européen de gestion de trafic ferroviaire
(ERTMS), qui a permis d’harmoniser les applications de contrôle (ETCS) et de
faciliter la circulation des trains à travers les pays européens, a notamment
adopté le GSM-R comme technologie de communication dès les années 2000. Aujourd’hui,
le succès d’ERTMS dont le modèle s’exporte à travers le monde est salué, mais
de nombreux travaux pointent l’ineptie consistant à poursuivre le déploiement d’un
GSM-R obsolète et proposent une évolution vers des technologies de
télécommunications plus récentes. Cela se fera forcément à des coûts importants
si on reste dans l’idée d’une infrastructure dédiée [1]. A contrario, dans les
réseaux de véhicules routiers, les systèmes de communications véhicules-à-tiers
(V2X) s’appuient sur les technologies de communication les plus récentes et se
développent sur un modèle s’appuyant d’une part, en mode
véhicule-à-infrastructure (V2I), sur des infrastructures de communications
cellulaires grand public (LTE-V2X, 5G) ou des infrastructures Wi-Fi dédiées (802.11p
ou 802.11bd) et d’autre part sur des communications directes de
véhicules-à-véhicules (V2V). Néanmoins, des efforts restent à faire sur l’harmonisation
de la gestion de trafic routier entre les pays européens. Des projets comme
SCOOP puis InDiD portent les contributions de la France dans le cadre de la
plate-forme européenne C-Roads en associant État, collectivités, sociétés d’autoroutes,
entreprises des secteurs automobile, numérique et télécommunication et
chercheurs académiques à la définition de l’infrastructure digitale pour la
route. L’infrastructure de télécommunication sous-jacente évoluera en même
temps que celle destinée au grand public et à des coûts plus raisonnables, car
mutualisée.
A ces deux premières observations, on peut en ajouter deux autres. 1. L’arrivée
du véhicule autonome particulier va évoluer dans le même espace urbain et
péri-urbain que les véhicules autonomes de transport collectif (bus, tramway,
train), par exemple la navette autonome du projet EcoTrain, et va donc nécessiter
un système commun de gestion et de contrôle de trafic à l’échelle des
transports terrestres. 2. Le développement de la 5G a vocation à offrir une
infrastructure de communications avec des capacités très importantes pour
toutes les applications de la ville intelligente (agriculture connectée,
monitoring de l’environnement, surveillance des infrastructures, etc.), dont
celles liées au contrôle, à la gestion et la coopération dans les transports
terrestres en zones urbaines. On voit ainsi poindre l’opportunité de repenser l’organisation
de la mise en œuvre d’un système de gestion de trafic à l’échelle de tous les
transports terrestres, avec en perspective le recours à un système de
télécommunication mutualisé basé sur une technologie récente (5G) et plus
facile à faire évoluer à faible coût.
Dans ce contexte très large, cette thèse a pour objectif de proposer une
approche de conception et d’évaluation adaptée à ce futur système global de
gestion de trafic dans les transports terrestres, et de porter des
contributions dans les projets nationaux et les initiatives d’harmonisation à l’échelle
européenne. En matière de conception, il s’agit d’abord de repenser le système
de gestion de trafic comme un ensemble d’applications destinées à la gestion de
trafic, au contrôle de chaque véhicule, à la coopération entre véhicules et aux
services à bord pour les usagers [2]. Chaque véhicule, en fonction de son type
(véhicule particulier, bus, tramway, navette autonome, etc.), devra choisir de
faire fonctionner tout ou partie de ces applications, tout le temps ou
seulement à certains moments en fonction du contexte. Il s’agit ensuite de
repenser le sous-système de télécommunication sous l’angle de la fiabilité et
de la résilience, notamment pour les applications les plus critiques pour
chacun des types de véhicules. En matière de conception et d’évaluation, cette
thèse a pour principal objectif de s’appuyer sur les méthodes formelles et sur
la modélisation et simulation à événements discrets, afin d’appliquer aux sous-systèmes
de communication embarqués côté véhicule et côté infrastructure les mêmes
niveaux d’exigence de garantie et de sûreté de fonctionnement que ceux
appliqués aux applications de contrôle type ETCS ou pilote autonome de véhicule
[3]. Toutes les contributions viseront à lever les doutes sur la possibilité de
garantir la fiabilité et la résilience du lien de communication sans-fil dans
un environnement d’infrastructure mutualisée, ce qui est aujourd’hui le frein
principal qui conduit les opérateurs à opter pour une infrastructure dédiée.
2. Verrous
scientifiques.
Le premier verrou scientifique à lever consiste à déconstruire la vision
monolithique et très contextuelle (spécifique au ferroviaire, spécifique aux
véhicules autonome, etc.) d’un système de gestion et de contrôle de trafic,
afin de l’éclater en plusieurs applications caractérisées par leur fonction,
leur niveau de criticité, leurs contraintes et exigences en termes de
communications, etc. Le second verrou scientifique consiste à conceptualiser un
service de communication sans-fil, éventuellement élaboré à partir de plusieurs
liens de communications sans-fil physiques (5G, 802.11p/bd, satellites, drones,
etc.), qui est susceptible d’être intégré dans une démarche de sûreté de
fonctionnement, de garantie de qualité de services et de résilience, notamment
grâce aux méthodes et outils formels, et d’être évalué par simulation dans un
contexte fonctionnel réaliste.
3. Caractère innovant
Ce travail est le premier qui aborde la gestion du trafic de tous les types de
transports terrestres sous un seul système unifié, en particulier au regard de
sa composante assurant les communications sans-fil entre véhicule et
infrastructure, en y ajoutant les modes véhicule-à-véhicule, qui participent à
la résilience des communications notamment en cas de faillite de l’infrastructure
[4], et véhicule-à-extension d’infrastructure (drones, satellites, 5G-IoT). Il
est aussi un des rares travaux qui s’intéressent, au-delà des performances du
système de communication, à sa qualité et sa résilience en visant les garanties
pouvant être assurées dès la conception (grâce aux méthodes formelles) et leur
vérification dans des scénarios complexes à large échelle via la simulation
[5].
4. Résultats attendus et valorisation
Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse feront l’objet de
publications en revue internationale à comité de lecture avec un facteur d’impact
pour les contributions les plus significatives liées aux deux verrous
scientifiques. Une troisième revue complètera les contributions notamment en
grande partie sur les résultats des évaluations et des simulations qui seront
réalisées en fin de thèse. Le mémoire de thèse constituera en soit une
contribution significative ouverte à tous.
5. Encadrement de la thèse
La thèse se déroulera sous l’encadrement effectif et direct des directeurs et
encadrante de thèse (S. Collard-Dutilleul, P. Sondi et M. Wahl), en fonction
des compétences nécessaires à chaque phase.
6. Candidat-e
- De préférence, titulaire ou en voie d’obtention en 2026 d’un master II
en Informatique, Réseaux et télécommunication ou Automatique industrielle.
- Fortement investi-e dans son travail de thèse et sa montée en compétence,
devra avoir des capacités d’écoute, de reformulation, d’abstraction, de
rédaction et d’autonomie. La connaissance d’un simulateur réseau ou des
méthodes formelles est un plus.
- Aime la programmation, bon développeur en informatique, développera pendant
la thèse des compétences en ingénierie des protocoles pour les réseaux,
méthodes formelles et évaluation de systèmes complexes.
- Publiera en langue anglaise dans des conférences et revues internationales
spécialisées sur les protocoles de communication (ex. revues Elsevier Ad Hoc
networks, Springer Telecommunication Systems, IEEE Transaction on ITS...)
7. Insertion professionnelle future
Le développement du concept du véhicule connecté aussi bien en Europe qu’à l’international,
les investissements importants sur le sujet des industriels, notamment du
secteur ferroviaire et automobile, ainsi que les efforts consentis par l’État
pour des transports terrestres plus sûrs vont nécessiter des experts du secteur
public et privé pour accompagner le développement et le déploiement des
technologies dans ce domaine. Cette thèse est l’opportunité d’acquérir une
expertise technique et scientifique en connexion avec des applications en cours
d’expérimentation. Les activités normatives (rédaction et l’exploitation de
normes, sous formes de laboratoire accrédités ou autre) sont aussi un exemple
de débouchés scientifiques et professionnels.
8. Références bibliographiques : lire les références dans la version anglaise
du sujet.
[1] Sondi P., Ramat E., Berbineau
M., A Virtual Laboratory as an Assessment Tool for Wireless Technologies in
Railway Systems, in Networking Simulation for Intelligent Transportation
Systems: High Mobile Wireless Nodes, pp.79-105, Wiley & Sons, 2017.
[2] S. Debbech, S. Collart-Dutilleul, P. Bon, An Ontological Approach to
Support Dysfunctional Analysis for Railway Systems Design. J. Univers. Comput.
Sci. 26(5): 549-582 (2020).
[3] Sondi, P., Abbassi, I., Ramat, E., Chebbi E. and Graiet M. "Modeling
and verifying clustering properties in a vehicular ad hoc network protocol with
Event-B". SN Scientific Reports 11, 2021.
[4] Wahl, M., Sondi, P. and Rivoirard, L. Enhanced CBL clustering performance
versus GRP, OLSR and AODV in vehicular Ad Hoc networks. SN Telecommun Syst 76,
525–540, 2021.
[5] Chebbi E., Sondi P., Ramat E., Rivoirard L. and Wahl M. Simulation of a
Clustering Scheme for Vehicular Ad Hoc Networks Using a DEVS-based Virtual
Laboratory Environment, ANT-2018-the 9th International Conference on Ambient
Systems, Networks and Technologies, Porto, Procedia Computer Science
(Elsevier), Volume 130, Pages 344-351, 2018.
[6] Louchart, A., Tohidi, E., Ciblat, P. et al. Some power allocation
algorithms for cognitive uplink satellite systems. J Wireless Com Network 2023,
32, 2023.