Les protocoles de communications à accès aléatoires sont des candidats prometteurs pour les futurs systèmes de communications sans fil dédiés aux applications machine à machine (M2M). Ces méthodes d’accès sont généralement basées sur des techniques d'accès aléatoires mettant en œuvre des concepts simples de sondage de canal et de report de la transmission pour réduire les collisions, tout en évitant l'utilisation d'ordonnanceurs complexes. Parmi les différents protocoles, Carrier sense multiple access/collision avoidance with a Request-To-Send/Clear-To-Send (CSMA/CA-RTS/CTS) est un protocole qui pourrait être adopté pour les scénarios de M2M. Cette approche est efficace pour éviter les collisions entre les paquets de données. Cependant dans le cas d’un réseau très dense, les performances sont dégradées à cause de la forte probabilité de collisions. Pour atténuer cet effet, les collisions entre les messages de contrôles RTS doivent être réduites. Cette thèse propose de résoudre ce problème en divisant le canal commun en sous-canaux pour transmettre les messages de contrôle de demande d’accès au canal ; le canal commun est utilisé dans son ensemble pour la transmission de données. L’ajout d’un degré de liberté pour le message de demande d’accès permet de réduire la probabilité de collision, et donc d’améliorer les performances du système notamment dans des scénarios avec des nombres importants de nœuds souhaitant communiquer. Dans ce travail, nous dérivons ainsi une solution complète de méthode d’accès en s'appuyant sur le CSMA / CA - RTS / CTS et en multiplexant une configuration multi-canal pour les messages RTS et un canal unique pour la transmission de données. Une version améliorée, basée sur l'ordonnancement des utilisateurs, est également étudiée. Un modèle analytique a été développé, analysé et validé par simulations. Celui-ci est une extension du modèle Bianchi. Les performances en termes de débit saturé, de temps de transmission et de la probabilité de rejet de paquets sont discutées. Enfin, les impacts liés à la prise en compte d’une couche physique de type multi porteuses sont discutés dans le dernier chapitre. / Opportunistic protocols are promising candidates for future wireless systems dedicated to machine to machine (M2M) communication. Such protocols are usually based on a random access with simple techniques of medium sensing and deferring to reduce collisions while avoiding the use of complex schedulers. Among different protocols, Carrier sense multiple access/collision avoidance with a Request-To-Send/Clear-To-Send (CSMA/CA-RTS/CTS) is an opportunistic protocol which could be adopted for M2M scenarios. Such approach is efficient to avoid collisions between data packets but in a very dense network, the random access used to send the RTS suffers itself from a high probability of collision which degrades the performance. In order to mitigate this effect, RTS collisions should be reduced. This thesis proposes to address this issue by splitting the common channel in sub-channels for transmitting the RTS messages. While the common channel is used as a whole for data transmission. Multiple nodes can then contend in time and frequency for these RTS sub-channels, thereby reducing RTS collisions and increasing overall efficiency. In this work, we thus derive a complete protocol solution relying on CSMA/CA - RTS/CTS multiplexing a multi-channel configuration for RTS messages and a unique channel for data transmission. An enhanced version based on users scheduling is integrated as well. In this thesis, the proposed protocol is investigated from a joint PHY-MAC point of view. This strategy is shown to provide better system performance particularly for loaded networks. An accurate analytical model derived as a straightforward extension of the Bianchi model is analyzed and validated by simulations. Performance in terms of saturation throughput, transmission delay and packet drop probability is discussed.

Les réseaux ad hoc mobiles sont des réseaux qui se forment spontanément grâce à la présence de terminaux mobiles. Ces réseaux sans fil sont de faible capacité. Les nœuds se déplacent librement et de manière imprévisible et ils se déchargent très rapidement. En conséquence, un réseau MANET est très enclin à subir des partitionnements fréquents. Les applications déployées sur de tels réseaux, souffrent de problèmes de disponibilité des données induits par ces partitionnements. La réplication des données constitue un mécanisme prometteur pour pallier ce problème. Cependant, la mise en œuvre d’un tel mécanisme dans un environnement aussi contraint en ressources constitue un réel défi. L’objectif principal est donc de réaliser un mécanisme peu consommateur en ressources. Le second objectif de la réplication est de permettre le rééquilibrage de la charge induite par les requêtes de données. Le choix des données à répliquer ainsi que celui des nœuds optimaux pour le placement des futurs réplicas est donc crucial, spécialement dans le contexte du MANET. Dans cette thèse, nous proposons CReaM (Community-Centric and Resource-Aware Replication Model”) un modèle de réplication adapté à un réseau MANET. CReaM fonctionne en mode autonomique : les prises de décisions se basent sur des informations collectées dans le voisinage du nœud plutôt que sur des données globalement impliquant tous les nœuds, ce qui permet de réduire le trafic réseau lié à la réplication. Pour réduire l’usage des ressources induit par la réplication sur un nœud, les niveaux de consommation des ressources sont contrôlés par un moniteur. Toute consommation excédant un seuil prédéfini lié à cette ressource déclenche le processus de réplication. Pour permettre le choix de la donnée à répliquer, une classification multi critères a été proposée (rareté de la donnée, sémantique, niveau de demande); et un moteur d’inférence qui prend en compte l’état de consommation des ressources du nœud pour désigner la catégorie la plus adaptée pour choisir la donnée à répliquer. Pour permettre de placer les réplicas au plus près des nœuds intéressés, CReaM propose un mécanisme pour l’identification et le maintien à jour des centres d’intérêt des nœuds. Les utilisateurs intéressés par un même sujet constituent une communauté. Par ailleurs, chaque donnée à répliquer est estampillée par le ou les sujets au(x)quel(s) elle s’apparente. Un nœud désirant placer un réplica apparenté à un sujet choisira le nœud ayant la plus grande communauté sur ce sujet. Les résultats d’expérimentations confirment la capacité de CReaM à améliorer la disponibilité des données au même niveau que les solutions concurrentes, tout en réduisant la charge liée à la réplication. D’autre part, CReaM permet de respecter l’état de consommation des ressources sur les nœuds. / A Mobile Ad-hoc Network is a self-configured infrastructure-less network. It consists of autonomous mobile nodes that communicate over bandwidth-constrained wireless links. Nodes in a MANET are free to move randomly and organize themselves arbitrarily. They can join/quit the network in an unpredictable way; such rapid and untimely disconnections may cause network partitioning. In such cases, the network faces multiple difficulties. One major problem is data availability. Data replication is a possible solution to increase data availability. However, implementing replication in MANET is not a trivial task due to two major issues: the resource-constrained environment and the dynamicity of the environment makes making replication decisions a very tough problem. In this thesis, we propose a fully decentralized replication model for MANETs. This model is called CReaM: “Community-Centric and Resource-Aware Replication Model”. It is designed to cause as little additional network traffic as possible. To preserve device resources, a monitoring mechanism are proposed. When the consumption of one resource exceeds a predefined threshold, replication is initiated with the goal of balancing the load caused by requests over other nodes. The data item to replicate is selected depending on the type of resource that triggered the replication process. The best data item to replicate in case of high CPU consumption is the one that can better alleviate the load of the node, i.e. a highly requested data item. Oppositely, in case of low battery, rare data items are to be replicated (a data item is considered as rare when it is tagged as a hot topic (a topic with a large community of interested users) but has not been disseminated yet to other nodes). To this end, we introduce a data item classification based on multiple criteria e.g., data rarity, level of demand, semantics of the content. To select the replica holder, we propose a lightweight solution to collect information about the interests of participating users. Users interested in the same topic form a so-called “community of interest”. Through a tags analysis, a data item is assigned to one or more communities of interest. Based on this framework of analysis of the social usage of the data, replicas are placed close to the centers of the communities of interest, i.e. on the nodes with the highest connectivity with the members of the community. The results of evaluating CReaM show that CReaM has positive effects on its main objectives. In particular, it imposes a dramatically lower overhead than that of traditional periodical replication systems (less than 50% on average), while it maintains the data availability at a level comparable to those of its adversaries.

L'efficacité énergétique constitue l'objectif clef pour la conception des protocoles de communication pour des réseaux de capteurs radio multi-sauts. Beaucoup d'efforts ont été réalisés à différents niveaux de la pile protocolaire à travers des algorithmes d'agrégation spatiale et temporelle des données, des protocoles de routage efficaces en énergie, et des couches d'accès au médium avec des mécanismes d'ordonnancement permettant de mettre la radio en état d'endormissement afin d'économiser l'énergie. Pour autant, ces protocoles utilisent de façon importante des paquets de contrôle et de découverte du voisinage qui sont coûteux en énergie. En outre, cela se fait très souvent sans aucune interaction entre les différentes couches de la pile. Ces travaux de thèse s'intéressent donc particulièrement à la problématique de l'énergie des réseaux de capteurs à travers des protocoles de routage et d'accès au médium. Les contributions de cette thèse se résument de la manière suivante : Nous nous sommes tout d'abord intéressés à la problématique de l'énergie au niveau routage. Dans cette partie, les contributions se subdivisent en deux parties. Dans un premier temps, nous avons proposé une analyse théorique de la consommation d'énergie des protocoles de routage des réseaux radio multi-sauts d'appréhender au mieux les avantages et les inconvénients des uns et des autres en présence des modèles de trafic variables, un diamètre du réseau variable également et un modèle radio qui permet de modéliser les erreurs de réception des paquets. À l'issue de cette première étude, nous sommes parvenus à la conclusion que pour être économe en énergie, un protocole de routage doit avoir des approches similaires à celle des protocoles de routage géographique sans message hello. Puis, dans un second temps, nous introduisons une étude de l'influence des stratégies de relayage dans un voisinage à 1 saut sur les métriques de performance comme le taux de livraison, le nombre de messages dupliqués et la consommation d'énergie. Cette étude est suivie par une première proposition de protocole de routage géographique sans message hello (Pizza-Forwarding (PF)) exploitant des zones de relayage optimisées et sans aucune hypothèse sur les propriétés du canal radio. Dans le but de réduire considérablement la consommation de PF, nous proposons de le combiner avec une adaptation d'un protocole MAC asynchrone efficace en énergie à travers une approche transversale. La combinaison de ces deux approches montre un gain significatif en terme d'économie d'énergie avec des très bon taux de livraison et cela quels que soient les scénarios et la nature de la topologique. / Energy-efficient communication protocol is a primary design goal for Wireless Sensor Networks (WSNs). Many efforts have been done to save energy anywhere in the protocol stack through temporal and spatial data aggregation schemes, energy-aware routing protocols, activity scheduling and energy-efficient MAC protocols with duty cycle. However both control packets and beacons remain which induces a huge waste energy. Moreover, their design follows the classical layered approach with the principle of modularity in system development, which can lead to a poor performance in WSNs. This thesis focuses on the issues of energy in WSNs through energy-efficient routing and medium access control protocols. The constributions of this thesis can be summarized as follows: First, we are interested on the energy issues at the routing layer for multihop wireless sensor networks (WSNs). We propose a mathematical framework to model and analyze the energy consumption of routing protocols in multihop WSNs by taking into account the protocol parameters, the traffic pattern and the network characteristics defined by the medium channel properties, the dynamic topology behavior, the network diameter and the node density. In this study, we show that Beacon-less routing protocol should be a best candidate to save energy in WSNs. We investigate the performance of some existing relay selection schemes which are used by Beacon-less routing protocols. Extensive simulations are proposed to evaluate their performance locally in terms of packet delivery ratio, duplicated packet and delay. Then, we extend the work in multihop wiriless networks and develop an optimal solution, Enhanced Nearest Forwarding within Radius, which tries to minimize the per-hop expected number of retranmissions in order to save energy. We present a new beaconless routing protocol called Pizza-Forwarding (PF) without any assumption on the radio environment: neither the radio range nor symmetric radio links nor radio properties (shadowing, etc.) are assumed or restricted. A classical greedy mode is proposed. To overcome the hole problem, packets are forwarded to an optimal node in the two hop neighbor following a reactive and optimized neighborhood discovery. In order to save energy due to idle listening and overhearing, we propose to combine PF's main concepts with an energy-efficient MAC protocol to provide a joint MAC/routing protocol suitable for a real radio environment. Performance results lead to conclude to the powerful behavior of PFMAC.