Dans cette thèse, nous présenterons une architecture de communication multi-utilisateurs à base des réseaux de capteurs sans fil dans un environnement industriel fortement bruité. Deux modes de fonctionnement de cette architecture sont présentés ; un mode Many-To-One reliant plusieurs capteurs émetteurs à un seul récepteur et un mode One-To-Many reliant un émetteur à plusieurs capteurs récepteurs. La couche physique de ce système est basée sur une modulation par transformée par paquets d'ondelettes inverse (IDWPT) à l'émission et une transformée par paquets d'ondelette discrète (DWPT) en réception. Pour tester notre architecture, un modèle de canal industriel est proposé qui tient compte des phénomènes des multi-trajets et des évanouissements en plus du bruit additif. Ce dernier étant modélisé comme un bruit gaussien auquel s'additionne un bruit impulsionnel causant une dégradation significative des signaux. L'architecture est testée pour différentes configurations de communications sans fil et pour différentes formes d'ondelettes afin de proposer un mode de communication optimal. Aussi, une amélioration de la robustesse de notre système est effectuée en ajoutant un codage correcteur d'erreur du canal et un seuillage du bruit impulsionnel à la réception pour minimiser les effets du bruit industriel sur les signaux reçus. En utilisant un code correcteur d'erreur, la détection et reconstitution des signaux se fait sans erreur à partir d'un SNR de 8dB pour un taux de codage 1/4 pour une transmission sur à canal à évanouissement. Pour un récepteur optimal à base du seuillage du bruit, les performances en termes de taux d'erreur binaires sont améliorées de 10dB pour une transmission sur un canal à bruit industriel. Enfin, une comparaison de la robustesse de notre architecture impulsionnelle avec un système à base d'une modulation multi-porteuse classique OFDM est effectuée. Ceci nous amène à proposer un système de communication multi-utilisateurs robuste à base des réseaux de capteurs sans fil pour des communications en milieu industriel difficile. / In this thesis, we will present a multi-user communication architecture based on wireless sensor networks in a noisy industrial environment. Two modes of operation of this architecture are presented ; a Many-To-One mode linking several transmitter sensors to a single receiver and a One-To-Many mode linking a transmitter to several receiver sensors. The physical layer of this system is based on the inverse transform (IDWPT) at transmission and the discrete wavelet packet transform (DWPT) at reception. To test our architecture, an industrial channel model is proposed that takes into account the phenomena of multipath and fading in addition to additive noise. The latter being modelled as Gaussian noise to which is added an impulse noise causing significant signal degradation. The architecture is tested for different wireless communication configurations and wavelet shapes to provide an optimal communication mode. Also, an improvement in the robustness of our system is achieved by adding channel error correction coding and pulse noise thresholding at reception to minimize the effects of industrial noise on the received signals. Using an error-correcting code, the detection and reconstruction of signals is error-free from an SNR of 8dB for a coding rate of 1/4 for transmission on a fading channel. For an optimal receiver based on noise thresholding, the performance in terms of binary error rates is improved by 10dB for transmission over an industrial noise channel. Finally, a comparison of the robustness of our pulse architecture with a system based on a conventional OFDM multi-carrier modulation is carried out. This leads us to propose a robust multi-user communication system based on wireless sensor networks for communications in difficult industrial environments.

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés aux réseaux urbains considérés par le projet ANR ARESA2 qui sont principalement des réseaux de capteurs et actionneurs hétérogènes : l'hétérogénéité est causée par la coexistence des noeuds capteurs à faibles ressources et des noeuds actionneurs riches en ressources. Ces derniers devraient être utilisés de manière différenciée par le réseau. C'est dans ce contexte que se déroule cette thèse dans laquelle nous avons étudié des algorithmes d'auto-organisations et de routage s'appuyant sur l'hétérogénéité. Au début, nous nous sommes intéressés à l'auto-organisation dans un contexte hétérogène. Se basant sur l'idée que les ressources au niveau des noeuds actionneurs doivent être exploitées afin de réduire la charge de communication au niveau des noeuds capteurs, nous avons proposé un protocole d'auto-organisation appelée Far-Legos. Far-Legos permet de profiter de la puissance d'émission des actionneurs pour apporter une information de gradient au niveau des capteurs. Les actionneurs initient et construisent une topologie logique. Cette dernière sera utilisée pour faciliter la phase de collecte de données à partir des noeuds capteurs vers les noeuds actionneurs. Ensuite, nous nous sommes intéressés aux liens asymétriques causés par la présence de différents types de noeuds avec différentes portées de transmission. Ces liens asymétriques, causés par l'hétérogénéité au niveau des noeuds constituant le réseau, peuvent détériorer les performances des protocoles de routage qui ne tiennent pas compte de ce type de liens. Pour éviter la dégradation de ces protocoles de routage, nous introduisons une nouvelle métrique de calcul de gradient ou de rang. Celle-ci sera utile pour détecter et éviter les liens asymétriques au niveau de la couche réseau pour le protocole de routage RPL. Nous présentons aussi une adaptation du protocole de collecte de données basé sur Legos pour détecter et éviter ces liens asymétriques. Enfin, nous nous sommes intéressés à l'exploitation de ces liens asymétriques. Nous proposons ainsi un protocole de collecte de données dédiés aux réseaux hétérogènes contenant des liens asymétriques appelé AsymRP. AsymRP est un protocole de routage dédié au trafic de collecte de données basé sur une connaissance de voisinage à 2-sauts combinée avec l'utilisation des messages d'acquittements (ACKs) implicites et une technique de routage de messages ACKs explicites. Cette proposition tire profit des liens asymétriques afin d'assurer une collecte de données fiable.

Cette thèse présente une contribution sur les problèmes de contrôle de réseaux d'irrigations en tenant compte des contraintes de communication grâce à une approche multicouches d’intelligence distribuée. Les analyses détaillées de chaque couche avec les résultats analytiques et les simulations seront décrites dans les différents chapitres. Ils mettent l'accent sur l'intérêt de l'approche multicouches, plus précisément sur son efficacité et sa fiabilité pour la supervision, l'optimisation multi-objectifs et le contrôle coopératif distribué sur des systèmes complexes de transport d'eau.La première couche analysé est le réseau hydraulique composé de canaux d’écoulements à surface libre, de sous-réseaux maillés de tuyaux sous pression et des structures hydrauliques (pompes vannes, ..). En intégrant les équations de Saint-Venant pour décrire l’écoulement physique des fluides en surface libre et la méthode Lattice Boltzmann pour la simulation du fluide, nous obtenons un modèle non linéaire discret pour les canaux à surface libre. Les structures hydrauliques sont généralement traitées comme des limites internes des biefs (tronçons) et modélisées par des relations entre les variables de flux et de pression.Permettant l'échange d'informations entre les éléments du système de contrôle, le réseau de communication sera considéré comme la deuxième couche. La résolution des problèmes d’hétérogénéités des systèmes et des communications (par exemple les retards de diffusion dans le réseau, la perte de paquets, la consommation d'énergie) sera étudié en introduisant une architecture de réseau hybride avec un routage dynamique basé sur les exigences de Qualité de Service (QoS) des applications de contrôle. Pour le routage dynamique dans le réseau, une composition pondérée de certaines métriques standards est proposée afin que le protocole de routage utilisant cette métrique composite converge sans boucle avec une « route » optimum. Grâce à différents scénarios de simulation, plusieurs critères de performance du réseau ont été évalués. La comparaison des résultats de simulation permet de valider l'intérêt de cette approche de composition pour le routage dynamique.Une troisième couche propose un système de contrôle réactif optimal développé pour la régulation du réseau d'irrigation dans un modèle étendue à grande échelle : Distributed Cooperative Model Predictive Control (DCMPC). Cette partie aborde la mise en œuvre de différentes stratégies de contrôle (centralisées, décentralisées et distribuées) et intègre la communication coopérative entre les contrôleurs MPC locaux afin d’améliorer les performances global es du système. La gestion de la divergence dans l'échange d'informations entre les contrôleurs est considérée comme un problème de consensus et résolue en utilisant un protocole de consensus asynchrone. Cette approche du contrôle distribué basée sur le paradigme des systèmes multi-agents, fournit une solution garantissant que tous les contrôleurs aient une vue cohérente de certaines valeurs des données nécessaires pour le calcul de décision. Un cas d’application sur un canal d'irrigation est étudié dans les simulations. La comparaison des résultats de simulations valide les avantages de l'approche du contrôle distribué coopératif par rapport aux autres stratégies de contrôle. / This thesis presents control problems of irrigation network with communication constraints and a multi-layer approach to solve these problems in a distributed manner. Detailed discussions of each layer with analytical and simulation results are described throughout several chapters. They emphasize the potential interest of the multi-layer approach, more precisely its efficiency and reliability for supervision, multi-objective optimization and distributed cooperative control of complex water transport systems. Conventionally, the first layer to be considered is the hydraulic network composed of free-surface channels, hydraulic structures and mesh subnetwork of pressurized pipes. By coupling the Saint-Venant equations for describing the physics of free-surface fluid and the Lattice Boltzmann method for the fluid simulation, a discrete-time nonlinear model is obtained for channel reaches. The hydraulic structures are usually treated as internal boundaries of reaches and modeled by algebraic relationships between the flow and pressure variables. To enable the exchange of information among the control system’s components, a communication network is considered in the second layer. Solving challenging problems of heterogeneous devices and communication issues (e.g., network delay, packet loss, energy consumption) is investigated in this thesis by introducing a hybrid network architecture and a dynamic routing design based on Quality of Service (QoS) requirements of control applications. For network routing, a weighted composition of some standard metrics is proposed so that the routing protocol using the composite metric achieves convergence, loop-freeness and path-optimality properties. Through extensive simulation scenarios, different network performance criteria are evaluated. The comparison of simulation results can validate the interest of this composition approach for dynamic routing. Finally, the third layer introduces an optimal reactive control system developed for the regulatory control of large-scale irrigation network under a Distributed Cooperative Model Predictive Control (DCMPC) framework. This part discusses the implementation of different control strategies (e.g., centralized, decentralized, and distributed strategies) and how the cooperative communication among local MPC controllers can be included to improve the performance of the overall system. Managing divergent (or outdated) information exchange among controllers is considered in this thesis as a consensus problem and solved by an asynchronous consensus protocol. This approach based on the multi-agent system paradigm to distributed control requires each controller to agree with its neighbors on some data values needed during action computation. For simulations, a particular benchmark of an irrigation channel is considered. The comparison of simulation results validate the benefits of the distributed cooperative control approach over other control strategies.

Les entités physiques prises en compte par les applications dites M2M dans les télécoms sont aujourd’hui de plus en plus hétérogènes. Le défi adressé par ce travail est donc l’intégration, et la configuration automatiques de toutes ces différentes variétés d’entités physiques d’une façon homogène dans les systèmes M2M, en généralisant les approches de configuration automatique déjà connues et utilisées pour les objets communicants numériques. Cette thèse présente un cadre théorique général et des mécanismes de base pour l’identification de modèles de telles entités physiques dans les systèmes d’information embarqués répartis, en englobant dans une même approche les équipements et les sous-ensembles de l’espace, faisant se rejoindre les points de vue ”internet des objets” et ”environnement interactif” dans une nouvelle vision unifiée de l’intelligence ambiante. Ce travail, motivé initialement par les applications à la gestion d’énergie domestique, cherche à intégrer au réseau local de la maison des entités physiques qui ont un impact énergétique mais ne sont dotés d’aucune connexion réseau, ce qui correspond à une extension qualitative du périmètre de l’Internet des Objets. Cette intégration se fait de manière tout à fait similaire à ce qui est fait classiquement pour des équipements numériques état de l’art, c’est-à-dire par des mécanismes de découverte et configuration spontanés. Ces mécanismes comportent les étapes suivantes : détection de la présence d’une entité physique par analyse de la coïncidence d’évènements significatifs reçus de capteurs ; sélection d’un premier modèle générique représentatif de l’entité physique détectée depuis une ontologie de référence en analysant des données reçues les capteurs ; création d’un composant logiciel représentant l’entité physique détectée, à partir du modèle sélectionné, et associant les capteurs et actionneurs utiles ; supervision et contrôle de l’entité cible par l’intermédiaire de ce composant logiciel ; mise à jour incrémentale du modèle de l’entité identifiée par analyse des données issues des capteurs associés. Ce travail est parti d’applications dans l’environnement de la maison, pour lesquelles il a été validé et mis en œuvre. Mais notre approche a vocation à être généralisée et étendue à des environnements comme les bâtiments ou la ville, en offrant suivant le même principe une infrastructure partagée pour toutes les applications M2M dans ces environnements / The physical entities which are taken into account by Machine to Machine (M2M) telecom applications are more and more heterogeneous. The challenge addressed by our research is the automatic integration and configuration of all these types of physical entities in M2M systems, with a homogeneous solution that generalizes self-configuration approaches used for networked digital devices. This thesis presents a general theoretical framework and basic mechanisms for the identification and configuration of such physical entity models in distributed embedded information systems. Our approach deals jointly with equipment and space entities encompassing the ”Internet of Things” (IoT) and ”interactive environment” viewpoints in a renewed interpretation of ambient intelligence. This work has been motivated initially by home energy management applications, trying to integrate into the Home Area Network all home entities that play a role in energy management, but do not have a networked interface of their own. This corresponds to a qualitative extension of the perimeter of the Home Area Network. This integration is achieved in a way similar to what is done for state of the art digital devices, through a spontaneous discovery and configuration mechanism, with the following stages: detection of the presence of a physical entity by analyzing the coincidence of significant events detected by sensors; selection of the first generic model corresponding to the detected physical entity from a reference ontology, on the basis of received sensors data; creation of a software component representing the detected physical entity, based on the selected model, associated with relevant sensors and actuators; provision of application interface for monitoring and control of the target entity through this intermediate software component; iterative update of the identified entity model on the basis of data from associated sensors. The proposed approach has been validated and implemented in home environments, but it is intended to be generalized and expanded to environments such as buildings or cities, offering a similarly shared infrastructure for all M2M applications in these environments

Depuis plusieurs années, l’agrégation de données sont considérés comme un domaine émergent et prometteur tant dans le milieu universitaire que dans l’industrie. L’énergie et la capacité du réseau seront donc économisées car il y aura moins de transmissions de données. Le travail de cette thèse s’intéresse principalement aux fonctions d’agrégation Nous faisons quatre contributions principales. Tout d’abord, nous proposons deux nouvelles métriques pour évaluer les performances des fonctions d’agrégations vue au niveau réseau : le taux d’agrégation et le facteur d’accroissement de la taille des paquets. Le taux d’agrégation est utilisé pour mesurer le gain de paquets non transmis grâce à l’agrégation tandis que le facteur d’accroissement de la taille des paquets permet d’évaluer la variation de la taille des paquets en fonction des politiques d’agrégation. Ces métriques permettent de quantifier l’apport de l’agrégation dans l’économie d’énergie et de la capacité utilisée en fonction du protocole de routage considéré et de la couche MAC retenue. Deuxièmement, pour réduire l’impact des données brutes collectées par les capteurs, nous proposons une méthode d’agrégation de données indépendante de la mesure physique et basée sur les tendances d’évolution des données. Nous montrons que cette méthode permet de faire une agrégation spatiale efficace tout en améliorant la fidélité des données agrégées. En troisième lieu, et parce que dans la plupart des travaux de la littérature, une hypothèse sur le comportement de l’application et/ou la topologie du réseau est toujours sous-entendue, nous proposons une nouvelle fonction d’agrégation agnostique de l’application et des données devant être collectées. Cette fonction est capable de s’adapter aux données mesurées et à leurs évolutions dynamiques. Enfin, nous nous intéressons aux outils pour proposer une classification des fonctions d’agrégation. Autrement dit, considérant une application donnée et une précision cible, comment choisir les meilleures fonctions d’agrégations en termes de performances. Les métriques, que nous avons proposé, sont utilisées pour mesurer la performance de la fonction, et un processus de décision markovien est utilisé pour les mesurer. Comment caractériser un ensemble de données est également discuté. Une classification est proposée dans un cadre précis. / Wireless Sensor Networks (WSNs) have been regarded as an emerging and promising field in both academia and industry. Currently, such networks are deployed due to their unique properties, such as self-organization and ease of deployment. However, there are still some technical challenges needed to be addressed, such as energy and network capacity constraints. Data aggregation, as a fundamental solution, processes information at sensor level as a useful digest, and only transmits the digest to the sink. The energy and capacity consumptions are reduced due to less data packets transmission. As a key category of data aggregation, aggregation function, solving how to aggregate information at sensor level, is investigated in this thesis. We make four main contributions: firstly, we propose two new networking-oriented metrics to evaluate the performance of aggregation function: aggregation ratio and packet size coefficient. Aggregation ratio is used to measure the energy saving by data aggregation, and packet size coefficient allows to evaluate the network capacity change due to data aggregation. Using these metrics, we confirm that data aggregation saves energy and capacity whatever the routing or MAC protocol is used. Secondly, to reduce the impact of sensitive raw data, we propose a data-independent aggregation method which benefits from similar data evolution and achieves better recovered fidelity. Thirdly, a property-independent aggregation function is proposed to adapt the dynamic data variations. Comparing to other functions, our proposal can fit the latest raw data better and achieve real adaptability without assumption about the application and the network topology. Finally, considering a given application, a target accuracy, we classify the forecasting aggregation functions by their performances. The networking-oriented metrics are used to measure the function performance, and a Markov Decision Process is used to compute them. Dataset characterization and classification framework are also presented to guide researcher and engineer to select an appropriate functions under specific requirements.

Cette thèse est une thèse CIFRE entre le LORIA et la société MEDETIC et porte sur la conception des systèmes de télésurveillance pour le maintien à domicile des personnes âgées.Le système est conçu aux personnes âgées qui veulent passer leur vieillesse dans leur propre maison, à cause de son potentiel pour augmenter l'indépendance et la qualité de la vie. Cela profiterait non seulement aux personnes âgées qui veulent vivre dans leur propre maison, mais aussi le système de santé publique en coupant des prix de façon significative.Mis à part la conception d'une architecture de télésurveillance « Vill’Âge® »basée sur des réseaux de capteurs hétérogènes (Domotique, IEEE802.15.4/Zigbee, Wifi, Bluetooth), la thèse a contribué essentiellement sur la proposition d'un protocole de clustering et de routage dans le réseau de capteurs sans fil avec une approche de la logique floue, et d'un middleware pour la collecte et le traitement des données des capteurs avec la gestion de la qualité de service comme particularité.Une première plateforme de test à été développée à Colmar (MEDETIC) et une seconde, plus complète et fait suite de cette thèse, est en cours de développement au LORIA (http://infositu.loria.fr/).Nous avons participé dans le concours de ministère de l'Enseignement supérieur et de la recherche avec un projet intitulé MPIGate: « Multi Protocol Interface and Gateway for telecare, environment Monitoring and Control » et nous avons gagné le prix de ce concours au niveau d’émergence. / This thesis is a thesis CIFRE between LORIA and the MEDETIC Company and focuses on the design of telehomecare system for the elderly.In addition to the design of a remote surveillance architecture “Vill’Âge ®” based on networks of heterogeneous sensor (home automation, IEEE802.15.4/Zigbee, Wifi, Bluetooth), thesis has contributed essentially on the proposal of a clustering and routing protocol in the network of wireless sensors with an approach to fuzzy logic, and of a middleware for the collection and processing of data from sensors with the management of the quality of service as a special feature.A first platform was developed at Colmar (MEDETIC) and a second who is more complete is under development at LORIA (http://infositu.loria.fr/).By using this system, MEDeTIC, offers a new concept of smart homes for the senior citizens, named in French “Maisons Vill’Âge”. The first housing schemes are being built in 2 departments of France. A flat is entirely equipped to act as a demonstrator and as laboratory of research and development.The system is designed for the elderly who wish to spend their old age in their own home, because of its potential to increase independence and quality of life. This would not only benefit the elderly who want to live in their own home, but also the national health care system by cutting costs significantly. Based on this PhD thesis, MPIGate, a “Multiprotocol Interface and Gateway for for telecare, environment”, has been developed. MPIGate was awarded in the competition of the Ministry of Higher Education and Research and OSEO 2010

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés aux réseaux urbains considérés par le projet ANR ARESA2 qui sont principalement des réseaux de capteurs et actionneurs hétérogènes : l’hétérogénéité est causée par la coexistence des noeuds capteurs à faibles ressources et des noeuds actionneurs riches en ressources. Ces derniers devraient être utilisés de manière différenciée par le réseau. C’est dans ce contexte que se déroule cette thèse dans laquelle nous avons étudié des algorithmes d’auto-organisations et de routage s’appuyant sur l’hétérogénéité. Au début, nous nous sommes intéressés à l’auto-organisation dans un contexte hétérogène. Se basant sur l’idée que les ressources au niveau des noeuds actionneurs doivent être exploitées afin de réduire la charge de communication au niveau des noeuds capteurs, nous avons proposé un protocole d’auto-organisation appelée Far-Legos. Far-Legos permet de profiter de la puissance d’émission des actionneurs pour apporter une information de gradient au niveau des capteurs. Les actionneurs initient et construisent une topologie logique. Cette dernière sera utilisée pour faciliter la phase de collecte de données à partir des noeuds capteurs vers les noeuds actionneurs. Ensuite, nous nous sommes intéressés aux liens asymétriques causés par la présence de différents types de noeuds avec différentes portées de transmission. Ces liens asymétriques, causés par l’hétérogénéité au niveau des noeuds constituant le réseau, peuvent détériorer les performances des protocoles de routage qui ne tiennent pas compte de ce type de liens. Pour éviter la dégradation de ces protocoles de routage, nous introduisons une nouvelle métrique de calcul de gradient ou de rang. Celle-ci sera utile pour détecter et éviter les liens asymétriques au niveau de la couche réseau pour le protocole de routage RPL. Nous présentons aussi une adaptation du protocole de collecte de données basé sur Legos pour détecter et éviter ces liens asymétriques. Enfin, nous nous sommes intéressés à l’exploitation de ces liens asymétriques. Nous proposons ainsi un protocole de collecte de données dédiés aux réseaux hétérogènes contenant des liens asymétriques appelé AsymRP. AsymRP est un protocole de routage dédié au trafic de collecte de données basé sur une connaissance de voisinage à 2-sauts combinée avec l’utilisation des messages d’acquittements (ACKs) implicites et une technique de routage de messages ACKs explicites. Cette proposition tire profit des liens asymétriques afin d’assurer une collecte de données fiable. / In this thesis, we focused on urban wireless networks considered by the ANR project ARESA2. The networks considered by this project are heterogeneous networks. This heterogeneity is caused by the coexistence of sensor nodes with limited resources and actuator nodes with higher resources. Actuators nodes should be used differentially by the network. Hence designed protocols for WSANs should exploit resource-rich devices to reduce the communication burden on low power nodes. It is in this context that this thesis takes place in which we studied self-organizing and routing algorithms based on the heterogeneity. First, we are interested in self-organization protocols in a heterogeneous network. Based on the idea that resource-rich nodes must be exploited to reduce the communication load level on low-power nodes, we proposed self-organizing protocol called Far-Legos. Far-Legos uses the large transmit power of actuators to provide gradient information to sensor nodes. Actuators initiate and construct a logical topology. The nature of this logical topology is different inside and outside the transmission range of these resourceful nodes. This logical topology will be used to facilitate the data collection from sensor to actuator nodes. Second, we investigated the asymmetric links caused by the presence of heterogeneous nodes with different transmission ranges. The apparition of asymmetric links can dramatically decrease the performance of routing protocols that are not designed to support them. To prevent performance degradation of these routing protocols, we introduce a new metric for rank calculation. This metric will be useful to detect and avoid asymmetric links for RPL routing protocol. We also present an adaptation of data collection protocol based on Legos to detect and avoid these asymmetric links. Finally, we are interested in exploiting the asymmetric links present in the network. We proposed a new routing protocol for data collection in heterogeneous networks, called AsymRP. AsymRP, a convergecast routing protocol, assumes 2-hop neighborhood knowledge and uses implicit and explicit acknowledgment. It takes advantage of asymmetric links to ensure reliable data collection.