Depuis ces deux dernières décennies, une nouvelle technologie sans fil appelée Réseau de Capteur Sans Fil (RCSF) résultant d"une fusion entre les systèmes embarqués et les communications sans fil a vu le jour. Un RCSF ("WSN : Wireless Sensor Network" en Anglais) est un réseau Ad hoc composé d"un grand nombre de nœuds qui sont des micro-capteurs qui peuvent être déployés de façon aléatoire ou déterministe dans une zone d"intérêt donnée. Ces nœuds capteurs sont capables de récolter plusieurs paramètres physiques sur l"environnement qui les entoure, appelé généralement zone de captage (ou zone de surveillance). Ensuite, ils doivent si nécessaire traiter les données capturées et les transmettre à un (ou plusieurs) nœud de collecte appelé station de base, centre de traitement ("sink" en Anglais). Beaucoup de domaines d"applications tels que le contrôle et suivi environnemental, le contrôle de production dans l"industrie, la surveillance de zone, le monitoring de l"habitat, l"agriculture intelligente, etc. sont basés sur les RCSF. Toutefois, les RCSF ne sont pas parfaits. En effet, compte tenu de leur petite taille, leur faible coût et leurs déploiement dans des zones souvent hostiles ou difficiles d"accès, les nœuds capteurs présentent un certain nombre de faiblesses parmi lesquelles une durée de vie du réseau limitée, une bande passante faible, des capacités de capture et de communication réduites, etc. Afin de surmonter ces contraintes des RCSF, plusieurs problématiques de recherche sont nées ces dernières années, et les principales portent sur l"optimisation de la consommation énergétique en vue d"améliorer la durée de vie du réseau. D"autres recherches importantes menées dans le domaine de ces réseaux portent sur les stratégies de placement des nœuds, sur la couverture de zones et sur la connectivité du réseau. Cependant, la plupart des solutions proposées ces dernières années ne prennent pas en compte toutes ces problématiques dans leurs modèles de résolution ; alors que dans beaucoup d"applications des RCSF telles que la surveillance de zone critique, le monitoring de l"habitat, l"agriculture intelligente, il est nécessaire de garantir en même temps une couverture complète de la zone de surveillance, une bonne connectivité du réseau, tout en optimisant au mieux la durée de vie de celui-ci. Le but de cette thèse est donc de proposer de nouveaux mécanismes efficaces pour l"optimisation de la durée de vie dans les RCSF, tout en garantissant, à tout moment de cette durée de vie, une couverture totale de la zone de surveillance, ainsi qu"une bonne connectivité du réseau. Pour atteindre nos objectifs, nous avons étudié et fait des propositions dans deux axes qui sont le placement des nœuds et les mécanismes d"ordonnancement au niveau de la couche MAC. Pour ces derniers, nous avons mis en place un algorithme appelé DSMAC (Distributed Scheduling Medium Acces Control) qui est basé sur notre méthode de placement des nœuds. Par ailleurs, DSMAC permet de couvrir 100% de la zone de surveillance, assure une bonne connectivité du RCSF et permet également aux nœuds capteurs d"économiser jusqu"à 30% de leur énergie comparativement à d"autres protocoles MAC tels que TunableMAC. / Since the past two decades, a new technology called Wireless Sensor Network (WSN) which result in a fusion of embedded systems and wireless communications has emerged. A WSN is Ad hoc network composed of many sensors nodes communicating via wireless links and which can be deployed randomly or deterministically over a given interest region. Theses sensors can also collect data from the environment, do local processing and transmit the data to a sink node or Base Station (BS) via multipath routing. Thereby, a wide range of potential applications have been envisioned using WSN such as environmental conditions monitoring, wildlife habitat monitoring, industrial diagnostic, agricultural, improve health care, etc. Nevertheless,WSN are not perfect. Indeed, given their small size, their low cost and their deployment generally in hostile or difficult access areas, sensor nodes have some weaknesses such as: a limited energy, so a network lifetime limited, limited bandwidth, limited computations and communications capabilities, etc. To overcome these limitations, several research issues from were created in recent years, and the main issues focus on the optimization of energy consumption in order to improve the network lifetime. Other important researches focus on issues of coverage areas, placement strategies of sensor nodes and network connectivity. However, most solutions proposed in recent years to resolve these issues do not take into account all these issues that we cited above in resolutions models; while in many WSN applications such as monitoring critical region, wildlife habitat monitoring, agricultural application, a full coverage of the monitoring region and network connectivity are mandatory as well an energy-awareness network lifetime. The objective of this thesis is thus to propose new scheduling mechanisms for optimizing the network lifetime in WSN, while ensuring at any time of the network lifetime a full coverage of the monitored region and network connectivity. To achieve our goals, we have study and done proposal in two axes which are placement strategy of sensor nodes and scheduling mechanism in the MAC layer. For these, we have implemented a Distributed Scheduling Medium Access Control algorithm (DSMAC) based on our placement method. Furthermore, DSMAC enables to cover 100% of the monitored region, to ensure optimal network connectivity and also allows sensors node to save up to 30% of their energy compared to other MAC protocols such as TunableMAC.

La thèse porte sur la conception de protocoles de routage pour les réseaux de capteurs. Les problèmes de recherche du routage de données dans un réseau multi-sauts sont d’une part l’optimisation de l’énergie et d’autre part le routage sous contraintes de la qualité de service (QoS) multicritères (e.g., énergie, fiabilité, délai, …). Cette thèse apporte deux contributions par rapport à l’état de l’art : une optimisation d'un protocole de routage probabiliste pour l'équilibre de l'usage d'énergie et un protocole de routage capable de prendre en compte simultanément des métriques de QoS multiples. En effet, pour équilibrer la consommation de l’énergie du routage lorsque des chemins multiples existent, les protocoles de routage probabiliste existants affectent une probabilité de choix à chaque chemin, soit de façon empirique, soit proportionnelle au niveau de l’énergie disponible du chemin. Nous ne savions pas quelles sont les probabilités optimales qui permettent d’avoir la durée de vie maximale du réseau. Cette thèse a permis d’établir ces probabilités optimales à l’aide de la modélisation sous forme d’un problème d’optimisation linéaire. Quant au problème du routage multicritères, bien que des métriques multiples soient définies par RPL (un standard d’IETF), les protocoles existants choisissent la route soit sur une métrique, soit sur une fonction de coût combinant plusieurs (qui introduit par conséquent un biais de pondération), mais jamais plusieurs simultanément. Dans cette thèse, nous avons d’abord évalué numériquement les performances de l’approche « operator calculus algebra » introduit par R. Schott et S. Staples qui définit un algorithme efficace permettant de trouver tous les chemins satisfaisant les contraintes multiples dans un graphe , puis dérivé une version distribuée sur laquelle nous avons conçu un protocole de routage multi-métriques. Ces deux contributions ont été implémentées dans l’environnement Contiki et émulées/simulées sous Cooja (un logiciel permettant de simuler des protocoles des réseaux de capteurs) / In this thesis, we focus on routing protocols for Wireless Sensor Networks (WSNs). The main research problems in the domain of routing data packets in a multi-hop network are the optimisation of the energy and the routing under multi-criteria QoS constraints (e.g., energy, reliability, delay, …). To address these problems, this dissertation proposes two contributions. Firstly, an optimal probabilistic routing protocol which balances the usage of energy and secondly, a routing protocol which is able to simultaneously take into account multiple QoS metrics. In fact, for balancing the energy consumption between the multiple existing links, the existing probabilistic routing protocols assign a probability to each link, either in an empirical way or depending on proportional energy level of the path. We did not know what are the optimal probabilities which lead to the optimal network lifetime. Our first contribution proposes optimal probabilities by modeling and solving a linear programming problem. As for the multi-constrainted QoS routing problem, multiple metrics are defined by RPL (a standard of IETF) but the existing protocols chose paths either according to only one metric or using a single aggregated function with multiple metrics, but never all the metrics simultaneously. In this dissertation, we first evaluate the performance of the operator calculus algebra introduced by R. Schott and S. Staples which defines an efficient algorithm allowing to find all the paths which satisfy the multiple constraints in a graph, and secondly we proposed a distributed version of this algorithm based on which a routing protocol has been designed. Both contributions are implemented in Contiki environment and simulated/emulated under Cooja (a software designed for simulating protocols of WSNs)

Améliorer la durée de vie est un enjeu important qui s'impose lors du déploiement des réseaux de capteurs sans fil (RCsFs). En effet, ces réseaux sont composés par des capteurs autonomes alimentés par des batteries qu'il est difficile de recharger ou remplacer. Le challenge est donc d'assurer le fonctionnement de ces réseaux pendant plusieurs années sans aucune intervention extérieure majeure.Afin de maximiser la durée de vie des RCsFs, nous avons d'abord exploré la possibilité d'introduire plusieurs puits mobiles. Nous avons proposé deux stratégies. La première détermine les positions optimales sur un réseau de petite échelle et la deuxième, basée sur une heuristique, garantit le passage à l'échelle.Nous nous sommes ensuite intéressés aux RCsFs basés sur IPv6 qui utilisent RPL, le nouveau protocole de routage proposé par l'IETF. Nous avons étudié ce protocole, étendu ses capacités pour gérer des puits mobiles et proposé une stratégie de mobilité des puits adaptée permettant de prolonger la durée de vie du réseau.Puis, nous avons proposé une nouvelle approche qui applique le codage de Slepian-Wolf sur les adresses émises dans les RCsFs. L'idée consiste à exploiter la corrélation des adresses garantie par un schéma approprié d'allocation afin de réduire le nombre de bits d'entête transmis au puits et d'améliorer ainsi la durée de vie du réseau.Finalement, nous avons proposé une infrastructure IPv6 hybride pour bâtiments intelligents qui combine les avantages des technologies sans fil et courants porteurs en ligne afin d'améliorer la durée de vie du réseau, sa connectivité et sa robustesse à faible surcoût. / Improving the network lifetime is a very challenging problem that needs to be taken into account during the deployment of wireless sensor networks (WSNs). Indeed, these networks are composed of many autonomous sensors with a limited energy supply provided by batteries which are usually difficult to recharge or replace. The scientific challenge is to ensure the operation of these networks for several years without major external intervention. To maximize the lifetime of WSNs, we first explored the possibility of introducing multiple mobile sinks. We proposed two mobility strategies. The first one provides the optimal placement in a network of small scale. The second one is based on an heuristic algorithm that ensures scalability.We were then interested in IPv6 based WSNs which use the new proposed routing protocol by IETF namely RPL. We studied this protocol, extended its capacity to manage mobile sinks andproposed an appropriate sinks mobility strategy that extends the network lifetime.Next, we proposed a novel approach which consists in applying Slepian-Wolf coding to emitted addresses in WSNs. The basic idea is to exploit the addresses correlation, guaranteed by an appropriate addresses allocation scheme, in order to reduce the header size of packets transmitted to the sink and thus improve the network lifetime.Finally, we proposed an hybrid IPv6 infrastructure for smart buildings which combines the wireless and power line technologies to guarantee energy efficiency and a longer network lifetime.

L'énorme quantité de données dans les réseaux de capteurs vidéo sans fil (WVSN) pour les nœuds de capteurs de ressources limitées augmente les défis liés à la consommation d'énergie et à la consommation de bande passante. La gestion du réseau est l’un des défis de WMSN en raison de l’énorme quantité d’images envoyées simultanément par les capteurs au coordinateur. Dans cette thèse, pour surmonter ces problèmes, plusieurs contributions ont été apportées. Chaque contribution se concentre sur un ou deux défis, comme suit: Dans la première contribution, pour réduire la consommation d'énergie, une nouvelle approche pour l'agrégation des données dans WVSN basée sur des fonctions de similarité des plans est proposée. Il est déployé sur deux niveaux: le niveau du nœud du capteur vidéo et le niveau du coordinateur. Au niveau du nœud de capteur, nous proposons une technique d'adaptation du taux de trame et une fonction de similarité pour réduire le nombre de trames détectées par les nœuds de capteur et envoyées au coordinateur. Au niveau du coordinateur, après avoir reçu des plans de différents nœuds de capteurs voisins, la similarité entre ces plans est calculée pour éliminer les redondances. Dans la deuxième contribution, certains traitements et analyses sont ajoutés en fonction de la similarité entre les images au niveau du capteur-nœud pour n'envoyer que les cadres importants au coordinateur. Les fonctions cinématiques sont définies pour prévoir l'étape suivante de l'intrusion et pour planifier le système de surveillance en conséquence. Dans la troisième contribution, sur la phase de transmission, au niveau capteur-nœud, un nouvel algorithme d'extraction des différences entre deux images est proposé. Cette contribution prend également en compte le défi de sécurité en adaptant un algorithme de chiffrement efficace au niveau du nœud de capteur. Dans la dernière contribution, pour éviter une détection plus lente des intrusions conduisant à des réactions plus lentes du coordinateur, un protocole mac-layer basé sur le protocole S-MAC a été proposé pour contrôler le réseau. Cette solution consiste à ajouter un bit de priorité au protocole S-MAC pour donner la priorité aux données critiques. / The huge amount of data in Wireless Video Sensor Networks (WVSNs) for tiny limited resources sensor nodes increases the energy and bandwidth consumption challenges. Controlling the network is one of the challenges in WMSN due to the huge amount of images sent at the same time from the sensors to the coordinator. In this thesis, to overcome these problems, several contributions have been made. Each contribution concentrates on one or two challenges as follows: In the first contribution, to reduce the energy consumption a new approach for data aggregation in WVSN based on shot similarity functions is proposed. It is deployed on two levels: the video-sensor node level and the coordinator level. At the sensor node level, we propose a frame rate adaptation technique and a similarity function to reduce the number of frames sensed by the sensor nodes and sent to the coordinator. At the coordinator level, after receiving shots from different neighboring sensor nodes, the similarity between these shots is computed to eliminate redundancies. In the second contribution, some processing and analysis are added based on the similarity between frames on the sensor-node level to send only the important frames to the coordinator. Kinematic functions are defined to predict the next step of the intrusion and to schedule the monitoring system accordingly. In the third contribution, on the transmission phase, on the sensor-node level, a new algorithm to extract the differences between two images is proposed. This contribution also takes into account the security challenge by adapting an efficient ciphering algorithm on the sensor node level. In the last contribution, to avoid slower detection of intrusions leading to slower reactions from the coordinator, a mac-layer protocol based on S-MAC protocol has been proposed to control the network. This solution consists in adding a priority bit to the S-MAC protocol to give priority to critical data.