This thesis, entitled Wireless Sensor Networks in Hostile RF Environments, was submitted to the The University of Manchester by Mr Dominic James Patrick Crutchley on 30th April 2012 for the degree Doctor of Philosophy (PhD). This thesis considers two different but related aspects of wireless communication in Wireless Sensor Networks (WSNs) operating in hostile environments. Using grain as an example of a hostile environment, the influence of hostile, attenuating media on Radio Frequency (RF) communications was considered. Further to this the implications of a hostile environment for protocol stacks were considered, and a cross-layer, cross-application framework was proposed to help future protocol designers address these issues. To achieve both these aims, the software for a bespoke WSN node was designed and implemented. The node was characterised to ensure a good understanding of its RF behaviour and practical experiments were then conducted in a small-scale grain silo to gain an understanding of attenuation and data communications within grain. Finally, a real world implementation of the proposed cross-layer, cross-application framework was produced and a small example cross-layer protocol was demonstrated running on the WSN node. It was shown that a WSN can be used to characterise communications within a hostile medium and also that data communications are achievable within grain. It was also shown that a small cross-layer, cross-application framework could ease the development of cross-layered protocols in WSN software.

Il est devenu depuis des années évident, même pour le simple amateur de nouvelles technologies, que le nombre des systèmes utilisant une connexion sans fil ne fait qu'augmenter. Les usages liés au nomadisme ou même simplement à la disparition de câbles jugés encombrants ou inesthétiques poussent à développer encore et toujours de nouvelles interfaces radio adaptées aux contraintes amenées par lesdits usages. Dès lors, à partir du moment où l'on souhaite développer des équipements compatibles avec plusieurs de ces usages (deux exemples faciles étant les téléphones portables et les tablettes tactiles), cela sous-entend qu'il faut être capable d'intégrer dans ces mêmes dispositifs un nombre d'interfaces radio de plus en plus important. Dès lors, le fil-rouge qui sous-tend cet ouvrage est le concept général de systèmes multi-*. Ce paradigme couvre l'étendue des systèmes radios qui offrent de multiples degrés de liberté : multi-standard, multi-fréquence, multi-canal, multi-antenne, etc... Partir d'emblée du postulat qu'une architecture va dès sa conception intégrer plusieurs interfaces permet alors d'avoir une optimisation différente de l'ensemble du système.

Ce document présente une synthèse de mes activités de recherche au cours des 10 dernières années. Recruté en septembre 2003 au laboratoire CITI, je suis venu renforcer les activités dans le domaine des communications radios, particulièrement de ce qui d'un point de vue réseau est dénommée la couche physique. Ces activités étaient jusqu'alors portées par un unique permanent (J.M. Gorce) et une doctorante. Pour être cohérent et complémentaire, j'ai dû opérer une évolution thématique pour m'intéresser aux aspects de traitement du signal et de modélisation niveau système, plus en amont de mes activités antérieures plus proches de l'électromagnétisme (même si les aspects antennes sont encore au cœur des problématiques). Mon rôle a ensuite évolué par la mise en place d'une plateforme de mesure permettant une meilleure prise en compte et validation globale des chaînes de transmissions. Cette évolution vers une vision plus globale des systèmes de transmissions m'a permis désormais de développer mon propre axe de recherche sur les aspects systèmes RF flexibles au sein du laboratoire, tout en poursuivant de multiples collaborations transverses avec mes collègues sur des aspects de radio logicielle ou encore de modélisation du canal radio.