La multiplication de l'usage des équipements connectables à un réseau sans fil tels que les smartphones ou les objets connectés peut être mise à profit pour construire des réseaux reposant sur des communications de proximité : les appareils communiquent directement entre eux, sans le support d'une infrastructure centrale. On parle de réseau ad hoc. Ce type de réseau sans infrastructure est exploité dans de nombreux domaines comme le militaire ou la gestion de catastrophes naturelles. Pour certains cas d'utilisation, le passage à l'échelle, c'est-à-dire la capacité à fonctionner avec la croissance de la taille du réseau, est une propriété indispensable. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la problématique du routage sous l'aspect du passage à l'échelle. Le routage est la fonction responsable de l'acheminement des données au sein du réseau. Pour cela, des informations de contrôle sont échangées entre les nœuds du réseau. Mais le trafic associé à ces échanges peut être un frein pour passer à l'échelle. Afin de le réduire, nous proposons d'agréger les informations concernant des nœuds géographiquement proches. Dans un premier temps, nous mettons en place une structuration de la zone de déploiement du réseau en régions hiérarchiques. Ces régions servent d'agrégateur de nœuds à travers un adressage de ces derniers selon les régions auxquelles ils appartiennent. Par la suite, nous proposons un protocole de routage combinant les approches topologique et géographique. Il s'agit, pour un nœud donné, de maintenir des routes menant, d’une part, vers d'autres nœuds dans un voisinage proche et, d'autre part, vers des zones géographiques de plus en plus étendues au fur et à mesure de l'éloignement. Cette dernière propriété est obtenue en profitant de la structuration hiérarchique précédente des zones d'agrégation. Les résultats montrent la faculté de notre proposition à monter à grande échelle par rapport aux protocoles de routage ad hoc classique et aussi sa capacité à adresser les problèmes propres aux protocoles de routage purement géographique. / The widespread use of wireless devices such as smartphones and connected objects leads to an increasing emergence of infrastructure-less networks relying on device-to-device communication: ad hoc networks. Applications of this type of network vary widely from military operations to emergency situations. Scalability is a key property for some use cases involving a large number of devices, also called nodes. We mean by scalability, the ability of the network to increase in size without drastic loss of performance and with a cost-effective network maintenance. In this thesis, we focus on the scalability from a routing perspective. Routing handles the delivery of data packets from a source to a destination across the network. This is achieved by the exchange of information between nodes. The corresponding traffic may represent a break for scalability in presence of numerous nodes. In this work, we propose an aggregation of routing information. First, we partition the deployment area into smaller hierachical regions based on geographical coordinates. Nodes are assigned hierachical address depending on the regions they are located in. Then, we propose a mixed topological and geographical-based routing protocol. A node maintains precise routing information to other nodes in close proximity and geographically aggregate information for nodes at greater distances. Regions are the units of nodes aggregation. The further the nodes are, the larger the regions referring to them are. The results show that our proposition outperforms regular ad hoc routing in terms of scalability and addresses more efficiently geographical routing-related issues compared to classical geographical routing.

A wireless sensor network is a distributed network system consisting of miniature spatially distributed autonomous devices designed for using sensors to sense the environment and cooperatively perform a specific goal. Each sensor node contains a limited power source, a sensor and a radio through which it can communicate with other sensor nodes within its communication radius. Since these sensor nodes may be deployed in inaccessible terrains, it might not be possible to replace their power sources. The radio transceiver is the hardware component that uses the most power in a sensor node and the optimisation of this element is necessary to reduce the overall energy consumption. In the data link layer there are several major sources of energy waste which should be minimised to achieve greater energy efficiency: idle listening, overhearing, over-emitting, network signalling overhead, and collisions. Sleep scheduling utilises the low-power sleep state of a transceiver and aims to reduce energy wastage caused by idle listening. Idle listening occurs when the radio is on, even though there is no data to transmit or receive. Collisions are reduced by using medium reservation and carrier sensing; collisions occur when there are simultaneous transmissions from several nodes that are within the interference range of the receiver node. The medium reservation packets include a network allocation vector field which is used for virtual carrier sensing which reduces overhearing. Overhearing occurs when a node receives and decodes packets that are not destined to it. Proper scheduling can avoid energy wastage due to over-emitting; over-emitting occurs when a transmitter node transmits a packet while the receiver node is not ready to receive packets. A protocol stack is proposed that achieves an ultra-low duty cycle sleep schedule. The protocol stack is aimed at large nodal populations, densely deployed, with periodic sampling applications. It uses the IEEE 802.15.4 Physical Layer (PHY) standard in the 2.4 GHz frequency band. A novel hybrid data-link/network cross-layer solution is proposed using the following features: a global sleep schedule, geographical data gathering tree, Time Division Multiple Access (TDMA) slotted architecture, Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA), Clear Channel Assessment (CCA) with a randomised contention window, adaptive listening using a conservative timeout activation mechanism, virtual carrier sensing, clock drift compensation, and error control. AFRIKAANS : 'n Draadlose sensor-netwerk is 'n verspreide netwerk stelsel wat bestaan uit miniatuur ruimtelik verspreide outonome toestelle wat ontwerp is om in harmonie saam die omgewing te meet. Elke sensor nodus besit 'n beperkte bron van energie, 'n sensor en 'n radio waardeur dit met ander sensor nodusse binne hulle kommunikasie radius kan kommunikeer. Aangesien hierdie sensor nodusse in ontoeganklike terreine kan ontplooi word, is dit nie moontlik om hulle kragbronne te vervang nie. Die radio is die hardeware komponent wat van die meeste krag gebruik in 'n sensor nodus en die optimalisering van hierdie element is noodsaaklik vir die verminder die totale energieverbruik. In die data-koppelvlak laag is daar verskeie bronne van energie vermorsing wat minimaliseer moet word: ydele luister, a uistering, oor-uitstraling, oorhoofse netwerk seine, en botsings. Slaap-skedulering maak gebruik van die lae-krag slaap toestand van 'n radio met die doel om energie vermorsing wat veroorsaak word deur ydele luister, te verminder. Ydele luister vind plaas wanneer die radio aan is selfs al is daar geen data om te stuur of ontvang nie. Botsings word verminder deur medium bespreking en draer deteksie; botsings vind plaas wanneer verskeie nodusse gelyktydig data stuur. Die medium bespreking pakkies sluit 'n netwerk aanwysing vektor veld in wat gebruik word vir virtuele draer deteksie om a uistering te verminder. Afluistering vind plaas wanneer 'n nodus 'n pakkie ontvang en dekodeer maar dit was vir 'n ander nodus bedoel. Behoorlike skedulering kan energie verkwisting as gevolg van oor-uistraling verminder; oor-uistraling gebeur wanneer 'n sender nodus 'n pakkie stuur terwyl die ontvang nog nie gereed is nie. 'n Protokol stapel is voorgestel wat 'n ultra-lae slaap-skedule dienssiklus het. Die protokol is gemik op draadlose sensor-netwerke wat dig ontplooi, groot hoeveelhede nodusse bevat, en met periodiese toetsing toepassings. Dit maak gebruik van die IEEE 802.15.4 Fisiese-Laag standaard in die 2.4 GHz frekwensie band. 'n Nuwe baster datakoppelvlak/netwerk laag oplossing is voorgestel met die volgende kenmerke: globale slaap-skedulering, geogra ese data rapportering, Tyd-Verdeling-Veelvuldige-Toegang (TVVT) gegleufde argitektuur, Draer-Deteksie-Veelvuldige-Toegang met Botsing-Vermyding (DDVT/BV), Skoon-Kanaal-Assessering (SKA) met 'n wisselvallige twis-tydperk, aanpasbare slaap-skedulering met 'n konserwatiewe aktiverings meganisme, virtuele draer-deteksie, klok-wegdrywing kompensasie, en fout beheer. Copyright / Dissertation (MEng)--University of Pretoria, 2012. / Electrical, Electronic and Computer Engineering / unrestricted