Un réseau de capteurs sans fil (RCSF) est constitué d’un grand nombre de nœuds capteurs autonomes qui collaborent ensemble pour la surveillance d’une zone, d’une machine, d’une personne etc.. Dans certaines applications,les données critiques doivent être protégées contre toute utilisation frauduleuse et être accessibles en temps réel. Le besoin d’apporter une solution de sécurité fiable et adaptée paraît donc essentiel. Les solutions de sécurité utilisées dans les réseaux traditionnels ne sont pas directement applicables dans les RCSFs, car développer des primitives de sécurité en utilisant de faibles ressources devient un véritable défi. Dans cette thèse, nous proposons des solutions nouvelles peu gourmandes en ressources qui tiennent compte des faibles capacités de défense d’un réseau autonome. Dans cette optique nous appliquons des mécanismes cryptographiques bas´es sur les fonctions de hachage et les courbes elliptiques. Un focus sur différents mécanismes de sécurité peu gourmands en ressources nous permet la mise en évidence des rapports de forces entre les RCSFs et leurs vulnérabilités. Notre première contribution vise `a améliorer la sécurité et les performances en termes d’´énergie sur des protocoles d’authentification existants tout en utilisant les mêmes mécanismes. Dans la deuxième contribution, on utilise le concept de probabilité de risque afin de déterminer la consommation énergétique dans différentes architectures de déploiement. Dans la troisième contribution nous présentons un nouveau mécanisme d’accélération de la multiplication scalaire sur les courbes elliptiques définies dans des corps finis premiers. Ce mécanisme bas´e sur l’opposé et l’ordre d’un point, réduit le nombre d’opérations de points dans un intervalle donné, et présente en plus l’avantage de pouvoir être combiné avec les techniques existantes. Enfin dans notre dernière contribution, nous nous sommes intéressés à l’accélération du calcul des points résultants du partitionnement du scalaire qui introduisent des coûts additionnels de calcul et de stockage mémoire. Nous comparons différentes formules de points existantes en mettant en évidence leur efficacité. / A Wireless Sensor Network (WSN) consists of a large number of sensor nodes which collaborate so as tomonitor environnement. For various WSNs’ applications, the collected data should be protected by preventingunauthorized users from gaining the information. The need to find a reliable and adaptive security solution isvery important. Most current standard security protocols designed for traditional networks cannot be applieddirectly in WSN. For this reason, providing a variety of security functions with limited resources is a realchallenge. Our research work seeks to find secure efficient solutions that take into account the rather weakdefense of an autonomous network. In this way, we apply lightweight cryptography mechanisms based on hashfunction and elliptic curves. A focus on different security mechanisms and lightweight security algorithms canhighlight the strength ratio between WSNs and their vulnerabilities. Our first contribution is on a secure energyefficient solution, it uses the same mechanism and aims to enhance the security weaknesses of existing solutions.The second contribution uses the concept of probability risk analysis to show to which level the proposedsolution justifies the better energy consumption for a given network architecture. In the third contribution, wepresent a new technique to accelerate scalar multiplication on elliptic curves cryptography over prime field forlight-weight embedded devices like sensor nodes. Our method reduces the computation of scalar multiplicationby an equivalent representation of points based on point order in a given interval and can also act as a supportfor most existing methods. Finally our last contribution presents a fast pre-computation algorithm in a parallelscalar multiplication to avoid the storage of pre-computation points which requires extra memory. We alsoprovide a comparison of different formulas so as to find out their efficiency.

Dans cette thèse, il s'agit de proposer un protocole MAC qui prend en compte certaines spécificités des réseaux de capteurs sans fil linéaires. Ce protocole MAC est basé sur des jetons circulants qui donnent aux noeuds le droit d’accès au canal de transmission. Nous évaluons à partir de ce protocole l’impact des interférences et de la connectivité sur un réseau linéaire. Cette évaluation nous permet de proposer des techniques de clustering dans un réseau de capteurs sans fil linéaire. Nous supposons d’abord un clustering basé sur une exploitation logique du voisinage des noeuds capteurs. Nous considérons dans ce cas, un modèle de propagation déterministe qui ne tient pas en compte la complexité du milieu. Ensuite, nous considérons une technique de clustering dans laquelle le modèle de propagation prend en compte les fluctuations qui rendent le milieu complexe. / In this thesis, we propose a MAC protocol that takes into account the specific characteristics of LSNs. This MAC protocol is based on tokens circulating that give the right to nodes to access to the transmission channel. We evaluate from this protocol the impact of interference and connectivity in the LSN. This evaluation allows us to propose clustering techniques in a LSN. We assume first a clustering based on a logical exploitation of the vicinity of the sensor nodes. In this case, we assume that a deterministic propagation model that does not take into account the complexity of the environment. Next, we consider a clustering technique wherein the propagation model takes into account the fluctuations that make complex the medium.

Avec l'émergence des nouvelles technologies, les communications sans fil n'ont cessé de croître afin de permettre aux utilisateurs un accès à l'information et aux services électroniques, et ceci indépendamment de leur position géographique. Les réseaux sans fil ont aussi trouvé leur place pour des applications spécifiques telles que les transmissions radio utilisées pour l'interconnexion de capteurs. Ce type de réseau peut être considéré comme un sous-ensemble des réseaux ad hoc. Des contraintes spécifiques s'appliquent alors aux utilisateurs de ces réseaux, telles que la difficulté d'accès pour la maintenance, les problèmes liés à la miniaturisation et au nombre élevé de capteurs. L'objectif de cette thèse est d'étudier les contraintes énergétiques liées à l'utilisation des batteries à capacité limitée pour l'alimentation des capteurs. Pour atteindre cet objectif, nous avons proposé de représenter les réseaux de capteurs à travers une image à échelle de gris : les zones claires correspondant aux zones riches en énergie, alors que les zones sombres représentent des régions avec une capacité énergétique faible. Des filtres issus du monde de traitement d'image sont alors appliqués à cette image représentant l'énergie. Ainsi, nous proposons des filtres de convolution de type Sobel ou de type filtre moyen pour nos algorithmes de routage et nous construisons une matrice énergétique pour chaque capteur. Cette matrice est alors utilisée avec le produit de convolution pour guider le routage. Les différents algorithmes proposés font ensuite l'objet de simulations avec le simulateur de réseaux OMNeT++. / With the emergence of new technologies, wireless communications have been developed in order to allow users an access to information and to electronic services, independently of their geographical position. Wireless networks have also been developed for specific applications such as radio transmissions used for interconnection of sensors. This type of network can be considered as a subset of ad hoc networks. On other side, this implies specific constraints on users, such as the problem of the access for maintenance, the problems of miniaturization, and the large number of sensors. The objective of this thesis is to focus on energy constraints related to the use of batteries with limited capacity for the supply of sensors. In our work, we propose routing algorithms to route information while controlling energy consumption. To achieve this goal, we have represented the sensor network as a grayscale image: light areas represent regions rich in energy, whereas dark areas represent regions with low energy capacity. Filters used in image processing are then applied to the image representing the energy. Thus, we propose convolution filters like Sobel or mean filter in our routing algorithms and we construct an energy matrix for each sensor. This matrix will be used with the convolution to find the best path. The proposed algorithms are verified by simulations performed with the network simulator OMNeT++.

Parmi les nombreuses applications potentielles des réseaux de capteurs sans fil, celles utilisant des capteurs d'image sont appréciables pour tout ce qui concerne la détection, la reconnaissance et la localisation d'objets par la vision. Des capteurs de petite taille, peu gourmands en énergie et dotés d'une caméra existent déjà au stade de prototype, mais des algorithmes de traitement et de compression de données, ainsi que des protocoles de communication de faible complexité et peu coûteux en énergie doivent être développés pour que ces applications puissent être envisagées en pratique.<br />La contribution de cette thèse porte principalement sur deux aspects. Premièrement, nous avons proposé un protocole de transmission d'images semi-fiable pour réduire la consommation d'énergie des nœuds relayant les paquets jusqu'au collecteur. Les économies d'énergie sont obtenues en préparant à la source des paquets de différentes priorités, grâce à une transformée en ondelettes de l'image, puis en conditionnant l'acheminement des paquets, saut par saut, suivant leur priorité et l'état de charge des batteries. Deuxièmement, nous avons étudié plus profondément les aspects de traitement et codage d'images à la source, et nous avons proposé un nouvel algorithme de compression d'images de faible complexité, combiné avec une technique d'entrelacement de pixels basée sur les automorphismes toriques. Des expérimentations sur<br />une plate-forme réelle de réseau de capteurs d'images ont été réalisées afin de démontrer la validité de nos propositions, en mesurant des aspects telles que la quantité de mémoire requise pour l'implantation logicielle de nos algorithmes, leur consommation d'énergie et leur temps d'exécution, ainsi que la qualité des images reconstituées au récepteur en présence de pertes de paquets.

Cette thèse explore la thématique des microsystèmes autonomes, notamment la problématique de leur alimentation en énergie. Jusqu'à présent, l'énergie nécessaire pour faire fonctionner ces dispositifs était fournie par une source finie, par exemple une batterie électrochimique. Cela implique, qu'après un certain temps, le réservoir doit être rempli, sinon le dispositif cesse de fonctionner. De plus, un compromis doit être fait entre la taille et la durée de vie du système. L'objectif de ce travail est d'étudier la possibilité d'alimenter de tels systèmes à partir de l'énergie des vibrations mécaniques ambiantes. Nous nous sommes focalisés sur la miniaturisation du dispositif de récupération d'énergie, et sur la possibilité de son élaboration en employant les techniques de micro fabrication et les couches minces piézoélectriques. L'utilisation d'un dispositif de type MEMS permettrait de créer des systèmes autonomes sur une seule puce (SoC) où dans un boîtier (SoP). Au cours de cette thèse nous avons créé des modèles analytiques et par éléments finis des structures de générateurs piézoélectriques. Nous avons conçu et fabriqué les dispositifs en utilisant deux matériaux piézoélectriques : le nitrure d'aluminium (AlN) et le zirconate titanate de plomb (PZT). Nous avons démontré que de telles structures peuvent fournir une puissance de l'ordre de quelques microwatts. De plus, avec des circuits spécifiques de gestion de puissance elles permettent de charger des dispositifs de stockage à partir des vibrations d'une très faible amplitude. Les dispositifs présentés sont pour le moment les seuls microgénérateurs piézoélectriques au monde adaptés aux vibrations ambiantes. Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet VIBES (VIBration Energy Scavenging) qui est un STREP du sixième programme cadre de l'Union Européenne (IST-1-STREP-507911).

La conception d'une plate-forme matérielle pour un noeud de réseaux de capteurs (RdC) est un véritable défi car elle est soumise à des contraintes sévères. La consommation d'énergie est souvent considérée comme la contrainte la plus forte donnée la petite taille et les besoins d'autonomie d'un noeud. De nos jours, les noeuds s'appuient sur des microcontrôleurs (MCUs) faible consommation disponibles dans le commerce. Ces MCUs ne sont pas adaptés au contexte de RdC car ils sont basés sur une structure de calcul généraliste et ils consomment trop d'énergie par rapport au budget d'énergie d'un noeud. Dans cette thèse, nous proposons un flot de conception complet, depuis le niveau système, se basant sur le concept de micro-tâches matérielles avec coupure de la tension d'alimentation (Power Gating). Dans cette approche, l'architecture d'un noeud est constituée d'un ensemble de micro-tâches matérielles qui sont activées selon un principe événementiel, chacune étant dédiée à une tâche spécifique du système (ex. la couche MAC, le routage, etc.). Ces micro-tâches sont gérées par un ordonnanceur matériel (System Monitor) qui est automatiquement généré à partir d'une description système, dans un langage spécifique (DSL), du graphe des tâches d'un noeud de RdC. En combinant la spécialisation du matériel et la technique du power gating, nous réduisons considérablement les énergies dynamique et statique d'un noeud de RdC. Les résultats montrent que des gains en énergie dynamique de 1 à 2 ordres de grandeur sont possibles par rapport aux mises en oeuvre à base des MCUs (ex. le MSP430). De plus, des gains de 1 ordre de grandeur en énergie statique sont également obtenus grâce à l'utilisation du power gating.

Cette thèse présente nos travaux à la fois théoriques et techniques sur la fourniture de la qualité de service dans les réseaux de capteurs sans fil, travaux développés principalement pour la détection en temps réel d'événements. Le premier problème fondamental pour assurer une qualité de service est la connectivité d'un réseau. La probabilité de non-isolation de nœud est donnée garantissant une borne supérieure de 1-connectivité du réseau. Un deuxième problème traité concerne la considération conjointe du problème de connectivité de communication et de couverture de détection. Ce problème étant formalisé comme un problème d'optimisation multi-objectif, un algorithme heuristique du type génétique a été développé, permettant ainsi d'aider au déploiement. Pour assurer la communication des données en temps réel et de façon fiable, un protocole de routage basé sur SPEED a été développé. Les simulations ont montré une amélioration notable de performances par rapport aux solutions existantes. Afin d'assurer la fiabilité de l'information finale, un ensemble de règles de fusion de décision a été proposé. Quant à son implémentation réelle avec moins de complexité sur des nœud de ressources limitées, trois alternatives sousoptimales ont été proposées et qui donnent des performances satisfaisantes dans des plages de rapport signal sur bruit.

Ce mémoire de thèse s'intéresse aux réseaux hétérogènes de capteurs sans fil (Wireless Sensor Networks - WSNs) constitués par une multitude de dispositifs de détection qui coexistent malgré leurs caractéristiques différentes. Contrairement aux réseaux homogènes de capteurs, chaque capteur d'un réseau hétérogène est capable de détecter et mesurer différents phénomènes physiques (température, pression, humidité) et générer ainsi un trafic avec des caractéristiques spécifiques, différentes d'un capteur à l'autre. En effet, selon l'application visée, le déploiement initial des nœuds peut être aléatoire, résultant en une répartition non-homogène des nœuds dans l'environnement. Autres facteurs comme l'extinction d'un nœud suite à l'épuisement de sa batterie ou à une faute générique peuvent impacter l'hétérogénéité de la répartition des nœuds. Tous ces phénomènes peuvent être perçus comme une source supplémentaire d'hétérogénéité dans les réseaux de capteurs sans fil. Puisque les facteurs d'hétérogénéité peuvent évoluer tant au cours du temps que dans l'espace, il est indispensable de concevoir des mécanismes adaptatifs pour les réseaux hétérogènes de capteurs afin de réagir et de s'adapter à la dynamique du réseau. De tels mécanismes adaptatifs sont toutefois difficiles à mettre en place. L'objectif majeur de cette thèse est d'étudier les problèmes liés à l'hétérogénéité dans les réseaux de capteurs sans fil afin de concevoir des méthodes de contrôle de l'accès au canal (Medium Access Control - MAC) qui s'adaptent à la dynamique de l'hétérogénéité tout en étant économe d'un point de vue énergétique. Deux sources d'hétérogénéité sont envisagées. Dans un premier temps, nous considérons les problématiques liées aux sources dans trafics multiples chacune dotée de caractéristiques et contraintes spécifiques. Pour pallier ce problème, un protocole MAC adaptatif basé sur une approche asynchrone est proposé ; il consiste en une méthode MAC de préservation de l'énergie, couplée à l'utilisation d'un instant de rendez-vous pour la transmission des données. Le protocole proposé, LA-MAC pour Low-Latency MAC, permet de garantir de façon efficace le transport de messages au travers d'un réseau multi-sauts grâce à la transmission d'agrégats de données (bursts). De vastes campagnes de simulations numériques corroborent la supériorité de LA-MAC en termes de latence, de taux de paquets correctement délivrés et de consommation énergétique par rapport à d'autres protocoles présentés dans l'état de l'art. Dans un second temps, nous étudions des réseaux dynamiques de capteurs sans fil, dont la densité de nœuds varie en temps et en espace. Cette densité des nœuds dans le réseau peut se définir comme étant le nombre de dispositifs avec des données à émettre par mètre carré. En effet, de brusques augmentations de la densité résultent en un accroissement du taux de paquets perdus en raison d'une hausse de la probabilité de collision des trames. En outre, une baisse de la densité des nœuds peut causer un gaspillage énergétique dû à une écoute oisive. Dans ce mémoire, nous traitons des réseaux dynamiques de capteurs sans fils dans lesquels les nœuds et les liens radio entre ces nœuds peuvent apparaître ou disparaître au cours du temps en raison de l'épuisement de leurs batterie, ou de toute autre opération d'administration du réseau, comme par exemple le déploiement de nœuds additionnels. Le travail présenté démontre qu'il est possible de fournir un support à la qualité de service (QoS) dans les réseaux dynamiques grâce à une méthode MAC adaptative et consciente de la densité, baptisée DA-MAC pour Density Aware MAC. Avec DA-MAC, les nœuds s'appuient sur la valeur de la densité locale et adaptent périodiquement les paramètres locaux qui régissent le protocole afin d'accéder au canal sans collision. L'efficacité du protocole proposé est présentée en comparaison d'autres protocoles de l'état de l'art dans de vastes campagnes de simulations numériques.

La tendance actuelle des réseaux de capteurs sans fil est d'avoir un seul réseau supportant plusieurs applications et fournissant plusieurs QoS. Dans cette thèse, nous étudions les techniques de cross-layering afin d'améliorer les performances et de fournir de la QoS. Tout d'abord, nous généralisons le concept de la méthode d'accès MaCARI en proposant une architecture multi-couches où plusieurs combinaisons de protocoles MAC-routage sont utilisées. Une file d'attente est associée à chaque combinaison, et chaque combinaison est activée pour une période précise. Le but est de profiter de ces combinaisons pour offrir différentes QoS. Cependant, cette architecture cause un problème de dimensionnement des périodes, ce qui a un impact sur les performances du réseau. Nous proposons, ensuite, des techniques de cross-layering en échangeant les paquets entre les différentes files d'attente afin de résoudre le problème de dimensionnement. Durant sa période, chaque combinaison traite tous les paquets de sa file d'attente ainsi que les paquets des files d'attente d'autres périodes. Nous montrons par simulation que notre approche améliore les performances du réseau.

Les réseaux de capteurs sans fils se définissent comme un ensemble de petits appareils autonomes et interconnectés. Ces capteurs sont déployés dans une zone d'intérêt dans le but de collecter des informations de l'environnement comme la température ou la qualité de l'air, suivant l'application envisagée. L'évolution de ces dispositifs de capture vers le multimédia ouvre l'accès à une plus large palette d'applications et de services pour une meilleure maitrise de notre environnement. Dans cette thèse nous nous intéressons au suivi de cible mobile dans les réseaux de capteurs sans fils, certains de ces capteurs pouvant collecter des images. Le suivi de cible (Tracking) consiste à détecter et à localiser sur l'ensemble de sa trajectoire une cible traversant une zone d'intérêt. Cette application peut s'avérer très utile, par exemple, pour détecter et enregistrer les déplacements d'un intrus dans une zone sensible ou encore pour suivre les déplacements d'une personne assistée et munie d'un appareil avec interface radio. Contrairement aux systèmes de surveillance classiques qui nécessitent une infrastructure fixe, les réseaux de capteurs sans fils sont aussi faciles à installer qu'à désinstaller. De plus, grâce à leur polyvalence, ils peuvent être utilisés dans de nombreux environnements hostiles et inaccessibles pour l'être humain. Toutefois, étant restreints en énergie, ils ne peuvent rester actifs en permanence au risque de limiter considérablement leur durée de vie. Afin de résoudre ce problème, l'idée est d'activer uniquement les capteurs qui sont sur la trajectoire de la cible au moment ou cette dernière est à leur portée radio ou visuelle. La question est donc : comment et sur quels critères activer ces capteurs afin d'obtenir à tout moment le meilleur compromis entre la précision du suivi et la préservation des ressources énergétiques ? C'est à cette question que nous essayerons de répondre tout au long de cette thèse. Dans un premier temps nous nous intéressons aux cibles communicantes qui ont la faculté d'émettre des signaux et donc de faciliter grandement le processus de suivi. Le défi ici est de relayer l'information entre les différents capteurs concernés. Nous utilisons pour cela un algorithme de déploiement basé sur le concept de forces virtuelles (VFA : Virtual Forces Algorithm) associé à un algorithme de suivi collaboratif et distribué implémenté sur un réseau organisé en clusters. Ensuite, nous traitons le cas, plus complexe et plus fréquent, des cibles non communicantes. L'objectif est de détecter la présence de la cible uniquement à l'aide de capteurs de présence. Pour cela nous proposons le déploiement d'un réseau de capteurs sans fil hétérogènes composé decapteurs de mouvement en charge de la partie détection de la cible et de capteurs vidéo en charge de la partie localisation. Lorsqu'une cible est détectée par un capteur de mouvement, l'information est communiquée aux capteurs vidéo voisins qui décident d'activer ou non leurs caméras en se basant sur des critères prédéfinis tenant compte de l'angle d'orientation des caméras. Enfin, dans une dernière contribution nous nous intéressons plus spécifique mentaux modèles de mobilité de la cible. Ces modèles nous permettent d'anticiper ses déplacements et d'affiner le processus d'activation des capteurs qui sont sur sa trajectoire. Nous utilisons pour cela le filtre de Kalman étendu combiné à un mécanisme de détection de changements de direction nommé CuSum (Cumulative Summuray). Ce mécanisme nous permet de calculer efficacement les futures coordonnées de la cible et de réveiller les capteurs en conséquence / Wireless Sensor Networks (WSN) are a set of tiny autonomous and interconnected devices. These Sensors are scattered in a region of interest to collect information about the surrounding environment depending on the intended application. Nowadays, sensors allow handling more complex data such as multimedia flow. Thus, we observe the emergence of Wireless Multimedia Sensor Networks opening a wider range of applications. In this work, we focus on tracking moving target in these kinds of networks. Target tracking is defined as a two-stage application: detection and localization of the target through its evolution inside an area of interest. This application can be very useful. For example, the presence of an intruder can be detected and its position inside a sensitive area reported, elderly or sick persons carrying sensors can be tracked anytime and so on. Unlike classical monitoring systems, WSN are more flexible and more easy to set up. Moreover, due to their versatility and autonomy they can be used in hostile regions, inaccessible for human. However, these kinds of networks have some limitations: wireless links are not reliable and data processing and transmission are greedy processes in term of energy. To overcome the energy constraint, only the sensors located in target pathway should be activated. Thus, the question is : how to select these sensors to obtain the best compromise between the tracking precision and the energy consumption? This is the question we are trying to answer in this dissertation. Firstly, we focus on communicating targets which have the ability to transmit signals and greatly facilitate the tracking process. The challenge here is to relay the information between the concerned sensors. In order to deal with this challenge, we use a deployment strategy based on virtual forces (VFA: Virtual Forces Algorithm) associated to a distributed tracking algorithm implemented in a cluster-based network. Secondly, we handle a more complex and more frequent case of non-communicating targets. The objective is to detect the presence of such target using movement sensors. We propose the deployment of an heterogeneous wireless sensor networks composed of movement sensors used to detect the target and camera sensors used to locate it. When the target is detected the information is sent to the camera sensors which decide whether to activate or not their cameras based on probabilistic criteria which include the camera orientation angle. Finally, as our last contribution, we specifically focus on target mobility models. These models help us to predict target behaviour and refine the sensor activation process. We use the Extended Kalamn filter as prediction model combined with a change detection mechanism named CuSum (Cumulative Summuray). This mechanism allows to efficiently compute the future target coordinates, and to select which sensors to activate