Wireless sensor networks are used to collect sensor data in different applications such as environmental monitoring, smart building control, and health care applications. Wireless sensor nodes used are typically small, low-cost, and battery powered. The nodes are often hard to access after deployment, for example when they are in remote  locations. Another property of wireless sensor networks is that their operation is dependent on the environment they operate in, both due to the specific sensor readings but also due to the effects on communication by factors such as fading and radio interference. This makes it important to evaluate a wireless sensor network in its intendent target environment before final deployment. To enable experiments with wireless sensor networks in their target environment, we have designed and implemented a testbed called Sensei-UU. It is designed to allow WSN experiments to be repeated in different locations, thus exposing effects caused by the environment. To allow this, the testbed is designed to be easily moved between experimental sites. One type of WSN applications Sensei-UU is aimed to evaluate is protocols where nodes are mobile. Mobile testbed nodes are low-cost robots which follow a tape track on the floor. The localization accuracy of the robot approach is evaluated and is accurate enough to expose a protocol to fading phenoma in a repeatable manner. Sensei-UU has helped us develop a lightweight interference classification approach, SoNIC, which runs on standard motes. The approach only use information from a standard cc2420 chipset available when packets are received. We believe that the classification accuracy is good enough to motivate specific transmission techniques avoiding interference. / WISENET

Sensor networks consist of small sensing devices that collaboratively fulfill a sensing task, such as monitoring the soil in an agricultural field or measuring vital signs in a marathon runner. To avoid cumbersome and expensive cabling, nodes in a sensor network are powered by batteries and communicate wirelessly. As a consequence of the latter, a sensor network's communication is affected by its radio environment, i.e., the environment's propagation characteristics and the presence of other radio devices. This thesis addresses three issues related to the impact of the radio environment on sensor networks. Firstly, in order to draw conclusions from experimental results, it is necessary to assess how the environment and the experiment infrastructure affect the results. We design a sensor network testbed, dubbed Sensei-UU, to be easily relocatable. By performing an experiment in different environments, a researcher can asses the environments’ impact on results. We further augment Sensei-UU with support for mobile nodes. The implemented mobility approach adds only little variance to results, and therefore enables repeatable experiments with mobility. The repeatability of experiments increases the confidence in conclusions drawn from them. Secondly, sensor networks may experience poor communication performance due to cross-technology radio interference, especially in office and residential environments. We consider the problem of detecting and classifying the type of interference a sensor network is exposed to. We find that different sources of interference each leave a characteristic "fingerprint" on individual, corrupt 802.15.4 packets. We design and implement the SoNIC system that enables sensor nodes to classify interference using these fingerprints. SoNIC supports accurate classification in both a controlled and an uncontrolled environment. Finally, we consider transmission errors in an outdoor sensor network. In such an environment, errors occur despite the absence of interference if the signal-to-noise ratio at a receiver is too low. We study the characteristics of corrupt packets collected from an outdoor sensor network deployment. We find that content transformation in corrupt packets follows a specific pattern, and that most corrupt packets contain only few errors. We propose that the pattern may be useful for applications that can operate on inexact data, because it reduces the uncertainty associated with a corrupt packet. / WISENET

Dans le cadre de cette thèse, nous nous intéressons plus particulièrement àdeux techniques permettant d’améliorer l’efficacité énergétique ou spectrale desréseaux sans fil. Dans la première partie de cette thèse, nous proposons de combinerles capacités de prédictions du contexte futur de transmission au classiqueet connu tradeoff latence - efficacité énergétique, amenant à ce que l’on nommeraun réseau proactif tolérant à la latence. L’objectif dans ce genre de problèmesconsiste à définir des politiques de transmissions optimales pour un ensembled’utilisateur, qui garantissent à chacun de pouvoir accomplir une transmissionavant un certain délai, tout en minimisant la puissance totale consommée auniveau de chaque utilisateur. Nous considérons dans un premier temps le problèmemono-utilisateur, qui permet alors d’introduire les concepts de tolérance àla latence, d’optimisation et de contrôle de puissance qui sont utilisés dans lapremière partie de cette thèse. L’extension à un système multi-utilisateurs estensuite considérée. L’analyse révèle alors que l’optimisation multi-utilisateurpose problème du fait de sa complexité mathématique. Mais cette complexitépeut néanmoins être contournée grâce aux récentes avancées dans le domainede la théorie des jeux à champs moyens, théorie qui permet de transiter d’unjeu multi-utilisateur, vers un jeu à champ moyen, à plus faible complexité. Lessimulations numériques démontrent que les stratégies de puissance retournéespar l’approche jeu à champ moyen approchent notablement les stratégies optimaleslorsqu’elles peuvent être calculées, et dépassent les performances desheuristiques communes, lorsque l’optimum n’est plus calculable, comme c’est lecas lorsque le canal varie au cours du temps.Dans la seconde partie de cettethèse, nous investiguons un possible problème dual au problème précédent. Plusspécifiquement, nous considérons une approche d’optimisation d’efficacité spectrale,à configuration de puissance constante. Pour ce faire, nous proposonsalors d’étudier l’impact sur le réseau des récentes avancées en classification d’interférence.L’analyse conduite révèle que le système peut bénéficier d’uneadaptation des traitements d’interférence faits à chaque récepteur. Ces gainsobservés peuvent également être améliorés par deux altérations de la démarched’optimisation. La première propose de redéfinir les groupes d’interféreurs decellules concurrentes, supposés transmettre sur les mêmes ressources spectrales.L’objectif étant alors de former des paires d’interféreurs “amis”, capables detraiter efficacement leurs interférences réciproques. La seconde altération portele nom de “Virtual Handover” : lorsque la classification d’interférence est considérée,l’access point offrant le meilleur SNR n’est plus nécessairement le meilleuraccess point auquel assigner un utilisateur. Pour cette raison, il est donc nécessairede laisser la possibilité au système de pouvoir choisir par lui-même la façondont il procède aux assignations des utilisateurs. Le processus d’optimisationse décompose donc en trois parties : i) Définir les coalitions d’utilisateurs assignésà chaque access point ; ii) Définir les groupes d’interféreurs transmettantsur chaque ressource spectrale ; et iii) Définir les stratégies de transmissionet les traitements d’interférences optimaux. L’objectif de l’optimisationest alors de maximiser l’efficacité spectrale totale du système après traitementde l’interférence. Les différents algorithmes utilisés pour résoudre, étape parétape, l’optimisation globale du système sont détaillés. Enfin, des simulationsnumériques permettent de mettre en évidence les gains de performance potentielsofferts par notre démarche d’optimisation. / In this thesis, we investigate two techniques used for enhancing the energy orspectral efficiency of the network. In the first part of the thesis, we propose tocombine the network future context prediction capabilities with the well-knownlatency vs. energy efficiency tradeoff. In that sense, we consider a proactivedelay-tolerant scheduling problem. In this problem, the objective consists ofdefining the optimal power strategies of a set of competing users, which minimizesthe individual power consumption, while ensuring a complete requestedtransmission before a given deadline. We first investigate the single user versionof the problem, which serves as a preliminary to the concepts of delay tolerance,proactive scheduling, power control and optimization, used through the first halfof this thesis. We then investigate the extension of the problem to a multiusercontext. The conducted analysis of the multiuser optimization problem leads toa non-cooperative dynamic game, which has an inherent mathematical complexity.In order to address this complexity issue, we propose to exploit the recenttheoretical results from the Mean Field Game theory, in order to transitionto a more tractable game with lower complexity. The numerical simulationsprovided demonstrate that the power strategies returned by the Mean FieldGame closely approach the optimal power strategies when it can be computed(e.g. in constant channels scenarios), and outperform the reference heuristicsin more complex scenarios where the optimal power strategies can not be easilycomputed.In the second half of the thesis, we investigate a dual problem to the previousoptimization problem, namely, we seek to optimize the total spectral efficiencyof the system, in a constant short-term power configuration. To do so, we proposeto exploit the recent advances in interference classification. the conductedanalysis reveals that the system benefits from adapting the interference processingtechniques and spectral efficiencies used by each pair of Access Point (AP) and User Equipment (UE). The performance gains offered by interferenceclassification can also be enhanced by considering two improvements. First, wepropose to define the optimal groups of interferers: the interferers in a samegroup transmit over the same spectral resources and thus interfere, but can processinterference according to interference classification. Second, we define theconcept of ’Virtual Handover’: when interference classification is considered,the optimal Access Point for a user is not necessarily the one providing themaximal SNR. For this reason, defining the AP-UE assignments makes sensewhen interference classification is considered. The optimization process is thenthreefold: we must define the optimal i) interference processing technique andspectral efficiencies used by each AP-UE pair in the system; ii) the matching ofinterferers transmitting over the same spectral resources; and iii) define the optimalAP-UE assignments. Matching and interference classification algorithmsare extensively detailed in this thesis and numerical simulations are also provided,demonstrating the performance gain offered by the threefold optimizationprocedure compared to reference scenarios where interference is either avoidedwith orthogonalization or treated as noise exclusively.

Dans le cadre de cette thèse, nous nous intéressons plus particulièrement àdeux techniques permettant d’améliorer l’efficacité énergétique ou spectrale desréseaux sans fil. Dans la première partie de cette thèse, nous proposons de combinerles capacités de prédictions du contexte futur de transmission au classiqueet connu tradeoff latence - efficacité énergétique, amenant à ce que l’on nommeraun réseau proactif tolérant à la latence. L’objectif dans ce genre de problèmesconsiste à définir des politiques de transmissions optimales pour un ensembled’utilisateur, qui garantissent à chacun de pouvoir accomplir une transmissionavant un certain délai, tout en minimisant la puissance totale consommée auniveau de chaque utilisateur. Nous considérons dans un premier temps le problèmemono-utilisateur, qui permet alors d’introduire les concepts de tolérance àla latence, d’optimisation et de contrôle de puissance qui sont utilisés dans lapremière partie de cette thèse. L’extension à un système multi-utilisateurs estensuite considérée. L’analyse révèle alors que l’optimisation multi-utilisateurpose problème du fait de sa complexité mathématique. Mais cette complexitépeut néanmoins être contournée grâce aux récentes avancées dans le domainede la théorie des jeux à champs moyens, théorie qui permet de transiter d’unjeu multi-utilisateur, vers un jeu à champ moyen, à plus faible complexité. Lessimulations numériques démontrent que les stratégies de puissance retournéespar l’approche jeu à champ moyen approchent notablement les stratégies optimaleslorsqu’elles peuvent être calculées, et dépassent les performances desheuristiques communes, lorsque l’optimum n’est plus calculable, comme c’est lecas lorsque le canal varie au cours du temps.Dans la seconde partie de cettethèse, nous investiguons un possible problème dual au problème précédent. Plusspécifiquement, nous considérons une approche d’optimisation d’efficacité spectrale,à configuration de puissance constante. Pour ce faire, nous proposonsalors d’étudier l’impact sur le réseau des récentes avancées en classification d’interférence.L’analyse conduite révèle que le système peut bénéficier d’uneadaptation des traitements d’interférence faits à chaque récepteur. Ces gainsobservés peuvent également être améliorés par deux altérations de la démarched’optimisation. La première propose de redéfinir les groupes d’interféreurs decellules concurrentes, supposés transmettre sur les mêmes ressources spectrales.L’objectif étant alors de former des paires d’interféreurs “amis”, capables detraiter efficacement leurs interférences réciproques. La seconde altération portele nom de “Virtual Handover” : lorsque la classification d’interférence est considérée,l’access point offrant le meilleur SNR n’est plus nécessairement le meilleuraccess point auquel assigner un utilisateur. Pour cette raison, il est donc nécessairede laisser la possibilité au système de pouvoir choisir par lui-même la façondont il procède aux assignations des utilisateurs. Le processus d’optimisationse décompose donc en trois parties : i) Définir les coalitions d’utilisateurs assignésà chaque access point ; ii) Définir les groupes d’interféreurs transmettantsur chaque ressource spectrale ; et iii) Définir les stratégies de transmissionet les traitements d’interférences optimaux. L’objectif de l’optimisationest alors de maximiser l’efficacité spectrale totale du système après traitementde l’interférence. Les différents algorithmes utilisés pour résoudre, étape parétape, l’optimisation globale du système sont détaillés. Enfin, des simulationsnumériques permettent de mettre en évidence les gains de performance potentielsofferts par notre démarche d’optimisation. / In this thesis, we investigate two techniques used for enhancing the energy orspectral efficiency of the network. In the first part of the thesis, we propose tocombine the network future context prediction capabilities with the well-knownlatency vs. energy efficiency tradeoff. In that sense, we consider a proactivedelay-tolerant scheduling problem. In this problem, the objective consists ofdefining the optimal power strategies of a set of competing users, which minimizesthe individual power consumption, while ensuring a complete requestedtransmission before a given deadline. We first investigate the single user versionof the problem, which serves as a preliminary to the concepts of delay tolerance,proactive scheduling, power control and optimization, used through the first halfof this thesis. We then investigate the extension of the problem to a multiusercontext. The conducted analysis of the multiuser optimization problem leads toa non-cooperative dynamic game, which has an inherent mathematical complexity.In order to address this complexity issue, we propose to exploit the recenttheoretical results from the Mean Field Game theory, in order to transitionto a more tractable game with lower complexity. The numerical simulationsprovided demonstrate that the power strategies returned by the Mean FieldGame closely approach the optimal power strategies when it can be computed(e.g. in constant channels scenarios), and outperform the reference heuristicsin more complex scenarios where the optimal power strategies can not be easilycomputed.In the second half of the thesis, we investigate a dual problem to the previousoptimization problem, namely, we seek to optimize the total spectral efficiencyof the system, in a constant short-term power configuration. To do so, we proposeto exploit the recent advances in interference classification. the conductedanalysis reveals that the system benefits from adapting the interference processingtechniques and spectral efficiencies used by each pair of Access Point (AP) and User Equipment (UE). The performance gains offered by interferenceclassification can also be enhanced by considering two improvements. First, wepropose to define the optimal groups of interferers: the interferers in a samegroup transmit over the same spectral resources and thus interfere, but can processinterference according to interference classification. Second, we define theconcept of ’Virtual Handover’: when interference classification is considered,the optimal Access Point for a user is not necessarily the one providing themaximal SNR. For this reason, defining the AP-UE assignments makes sensewhen interference classification is considered. The optimization process is thenthreefold: we must define the optimal i) interference processing technique andspectral efficiencies used by each AP-UE pair in the system; ii) the matching ofinterferers transmitting over the same spectral resources; and iii) define the optimalAP-UE assignments. Matching and interference classification algorithmsare extensively detailed in this thesis and numerical simulations are also provided,demonstrating the performance gain offered by the threefold optimizationprocedure compared to reference scenarios where interference is either avoidedwith orthogonalization or treated as noise exclusively.