Comprendre le contexte ambiant d'une maison est essentiel pour pouvoir proposer à ses occupants des services adaptés à leurs situations de vie, et qui répondent donc à leurs besoins. Un exemple de tel service est un assistant de communication, qui pourrait par exemple informer les personnes hors de la maison à propos de la disponibilité des habitants de celle-ci pour communiquer. Pour implémenter un tel service, il est en effet nécessaire que la maison prenne en compte les situations de ses occupants, pour ensuite en déduire leurs disponibilités.Dans cette thèse, nous nous intéressons dans un premier temps à définir ce qu'est le contexte dans une maison. Nous défendons que l'activité des occupants est l'une des dimensions principales du contexte d'une maison, nécessaire à la mise en œuvre de systèmes sensibles au contexte. C'est pourquoi nous étudions dans un second temps le problème de la reconnaissance automatique d'activités humaines, à partir des données de capteurs ambiants installés dans la maison. Nous proposons une nouvelle approche d'apprentissage automatique supervisé basée sur les lieux de la maison, qui améliore à la fois les performances de reconnaissance correcte d'activités ainsi que les temps de calcul nécessaires, par rapport aux approches de l'état de l'art.Par ailleurs, ces services sensibles au contexte auront probablement besoin de pouvoir anticiper les situations futures de la maison. En particulier, ils doivent pouvoir anticiper les activités futures réalisées par les occupants. C'est pourquoi nous proposons un nouveau modèle de prédiction supervisée d'activités, basé sur des modèles de l'état de l'art. Nous introduisons un certain nombre d'extensions à ce modèle afin d'améliorer les performances de prédiction, en se basant sur des spécificités des environnements de maisons instrumentées.Enfin, nous nous intéressons à l'estimation de la disponibilité des occupants à communiquer, afin d'illustrer la faisabilité de notre exemple de service d'assistance à la communication. Nous suggérons que la disponibilité peut être inférée à partir des dimensions primaires du contexte, comme le lieu et l'activité (que l'on peut reconnaitre et prédire à l'aide de nos contributions précédentes), mais en prenant également en compte le correspondant initiant la communication, ainsi que la modalité utilisée. Nous discutons de l'impact de l'étape de reconnaissance d'activités sur l'estimation de la disponibilité.Nous évaluons expérimentalement ces contributions sur différents jeux de données de l'état de l'art, ainsi que sur un nouveau jeu de données d'activités et de disponibilités dans la maison que nous avons spécifiquement construit durant cette thèse : Orange4Home. À travers nos contributions à ces trois problèmes, nous démontrons l'implémentabilité d'un service d'assistance à la communication, pouvant conseiller des correspondants extérieurs sur les futures disponibilités des occupants de la maison. De manière plus générale, nous montrons comment des dimensions secondaires du contexte, comme la disponibilité, peuvent être inférées d'autres dimensions du contexte, comme l'activité. Il est donc essentiel pour qu'une maison devienne sensible au contexte, que celle-ci dispose de systèmes de reconnaissance et de prédiction d'activités les plus fiables possibles. / Understanding the context of a home is essential in order to provide services to occupants that fit their situations and thus fulfil their needs. One example of service that such a context-aware smart home could provide is that of a communication assistant, which can for example advise correspondents outside the home on the availability for communication of occupants. In order to implement such a service, it is indeed required that the home understands the situations of occupants, in order to derive their availability.In this thesis, we first propose a definition of context in homes. We argue that one of the primary context dimensions necessary for a system to be context-aware is the activity of occupants. As such, we then study the problem of recognizing activities, from ambient smart home sensors. We propose a new supervised place-based approach which both improves activity recognition accuracy as well as computing times compared to standard approaches.Smart home services, such as our communication assistance example, may often need to anticipate future situations. In particular, they need to anticipate future activities of occupants. Therefore, we design a new supervised activity prediction model, based on previous state-of-the-art work. We propose a number of extensions to improve prediction accuracy based on the specificities of smart home environments.Finally, we study the problem of inferring the availability of occupants for communication, in order to illustrate the feasibility of our communication assistant example. We argue that availability can be inferred from primary context dimensions such as place and activity (which can be recognized or predicted using our previous contributions), and by taking into consideration the correspondent initiating the communication as well as the modality of communication used. We discuss the impact of the activity recognition step on availability inference.We evaluate those contributions on various state-of-the-art datasets, as well as on a new dataset of activities and availabilities in homes which we constructed specifically for the purposes of this thesis: Orange4Home. Through our contributions to these 3 problems, we demonstrate the way in which an example context-aware communication assistance service can be implemented, which can advise on future availability for communication of occupants. More generally, we show how secondary context dimensions such as availability can be inferred from other context dimensions, in particular from activity. Highly accurate activity recognition and prediction are thus mandatory for a smart home to achieve context awareness.

Le réseau électrique a subi d’importantes évolutions ces dernières décennies, pour devenir ce qu’on appelle le Smart Grid. Le réseau électrique évolue actuellement d’une architecture centralisée vers une architecture décentralisée, tenant compte des consommations et sources d’énergies à caractère imprédictible et irrégulier. L’Advanced Metering Infrastructure est une architecture clé du Smart Grid qui permet des communications bidirectionnelles entre le consommateur et le fournisseur d’énergie. Les réseaux de compteurs intelligents qui constituent notamment cette architecture reposent communément sur des communications à courant porteur, une technologie qui est hautement sensible aux interférences. Malgré l’utilisation de protocoles de niveau 2 spécifiques, les technologies employées ne permettent pas de respecter les exigences de toutes les applications Smart grid. La plupart des technologies considérées pour les réseaux de compteurs intelligents sont de courte portée, chaque compteur ne peut communiquer directement avec le concentrateur. Les noeuds doivent collaborer entre eux, utilisant un protocole de routage tel que RPL pour atteindre la destination. Le but de cette thèse est d’adapter RPL à un environnement multi interfaces, et étudier comment l’hétérogénéité des interfaces peut améliorer la fiabilité et les performances d’un réseau de compteurs intelligents. / Since decades, the power grid is Under going a tremendous evolution, toward what is called the Smart Grid. The grid is actually evolving from a centralized architecture to a decentralized one, taking into account all the unpredictable sources and consumption. The Advanced Metering Infrastructure is the network dedicated to the Smart Grid that allows two-ways communications between the consumers and the energy providers. Smart Meters networks, that are part of this architecture, rely on powerline communications, a technology that is highly sensitive to interference. Despite dedicated layer 2 protocols, the employed technologies cannot fulfill most of smart grid applications requirements. The majority of smart meter network technology candidates are short range, each meter cannot reach the concentrator in one hop. Nodes need to collaborate, using a routing protocol like RPL to reach the destination. The goal of this thesis is to modify RPL to a multi interfaces environment, and study how interface heterogeneity could increase the reliability and the performance of a smart meter network.

De nouveaux protocoles ont été standardisés afin d'intégrer les réseaux de capteurs sans fil (WSN) dans l'Internet. Parmi eux, RPL pour la couche routage et IEEE 802.15.4 pour la couche MAC. L'objectif de cette thèse est d'améliorer ces protocoles en prenant compte des contraintes énergétiques des dispositifs du WSN. Tout d'abord, nous avons conçu une nouvelle méthode de diffusion dans la norme IEEE 802.15.4, afin d'assurer une livraison fiable des paquets de contrôle des couches supérieures. Ensuite, nous avons fourni une évaluation exhaustive de RPL, en soulignant un problème d'instabilité qui génère une surcharge d'énergie importante. Compte tenu que la durée de vie des WSN est très limitée, nous avons aussi proposé une nouvelle métrique de routage qui identifie les goulets d'étranglement énergétiques afin de maximiser la durée de vie du réseau. Enfin, en couplant cette mesure avec une version multiparent de RPL, nous avons résolu le problème d'instabilité souligné précédemment. / New protocols have been standardized in order to integrate Wireless Sensor Networks (WSN) in the Internet. Among them, the IEEE 802.15.4 MAC layer protocol, and RPL, the IPv6 Routing Protocol for Low-power and Lossy Networks. The goal of this thesis is to improve these protocols, considering the energy constraints of the devices that compose the WSN. First, we proposed a new MAC layer broadcast mechanism in IEEE 802.15.4, to ensure a reliable delivery of the control packets from the upper layers (especially from RPL). Then, we provided an exhaustive evaluation of RPL and highlighted an instability problem. This instability generates a large overhead, consuming a lot of energy. Since the lifetime of WSN is very limited, we proposed a new routing metric that identifies the energy bottlenecks and maximizes the lifetime of the network. Finally, by coupling this metric with a multipath version of RPL, we are able to solve the instability problem previously highlighted.

Dans les prochaines années, l’Internet des objets (IoT) constituera l’une des applications générant le plus de données. Actuellement, les données de l’IoT sont stockées dans le Cloud. Avec l’augmentation du nombre d’objets connectés, la transmission de la grande quantité de données produite vers le Cloud génèrera des goulets d’étranglement. Par conséquent, les latences seront élevées. Afin de réduire ces latences, le Fog computing a été proposé comme un paradigme étendant les services du Cloud jusqu’aux périphéries du réseau. Il consiste à utiliser tout équipement localisé dans le réseau (ex. routeur) pour faire le stockage et le traitement des données. Cependant, le Fog présente une infrastructure hétérogène. En effet, ses équipements présentent des différences de performances de calcul, de capacités de stockage et d’interconnexions réseaux.Cette hétérogénéité peut davantage augmenter la latence du service. Cela pose un problème : le mauvais choix des emplacements de stockage des données peut augmenter la latence du service. Dans cette thèse, nous proposons une solution à ce problème sous la forme de quatre contributions : 1. Une formulation du problème de placement de données de l’IoT dans le Fog comme un programme linéaire. 2. Une solution exacte pour résoudre le problème de placement de données en utilisant CPLEX, un solveur de problème linéaire. 3. Deux heuristiques basées sur le principe de “diviser pour régner” afin de réduire le temps du calcul de placement. 4. Une plate-forme expérimentale pour évaluer des solutions de placement de données de l’IoT dans le Fog, en intégrant la gestion du placement de données à iFogSim, un simulateur d’environnement Fog et IoT. / In the coming years, Internet of Things (IoT) will be one of the applications generating the most data. Nowadays, IoT data is stored in the Cloud. As the number of connected objects increases, transmitting the large amount of produced data to the Cloud will create bottlenecks. As a result, latencies will be high and unpredictable. In order to reduce these latencies, Fog computing has been proposed as a paradigm extending Cloud services to the edge of the network. It consists of using any equipment located in the network (e.g. router) to store and process data. Therefore, the Fog presents a heterogeneous infrastructure. Indeed, its components have differences in computing performance, storage capacity and network interconnections. This heterogeneity can further increase the latency of the service. This raises a problem: the wrong choice of data storage locations can increase the latency of the service. In this thesis, we propose a solution to this problem in the form of four contributions: 1. A formulation of the IoT data placement problem in the Fog as a linear program. 2. An exact solution to solve the data placement problem using the CPLEX, a mixed linear problem solver. 3. Two heuristics based on the principle of “divide and conquer” to reduce the time of placement computation. 4. An experimental platform for testing and evaluating solutions for IoT data placement in the Fog, integrating data placement management with iFogSim, a Fog and IoT environment simulator.

L’Internet des Objets (IoT) vise à créer un eco-système global et ubiquitaire composé d’un grand nombre d’objets hétérogènes. Afin d’atteindre cette vision, le World Wide Web apparaît comme un candidat adapté pour interconnecter objets et services à la couche applicative en un Web des Objets (WoT).Cependant l’évolution actuelle du WoT produit des silos d’objets et empêche ainsi la mise en place de cette vision. De plus, même si le Web facilite la composition d’objets et services hétérogènes, les approches existantes produisent des compositions statiques incapables de s’adapter à des environnements dynamiques et des exigences évolutives. Un autre défi est à relever: permettre aux personnes d’interagir avec le vaste, évolutif et hétérogène IoT.Afin de répondre à ces limitations, nous proposons une architecture pour IoT ouvert et autogouverné, constitué de personnes et d’objets situés, en interaction avec un environnement global via des plateformes hétérogènes. Notre approche consiste de rendre les objets autonomes et d’appliquer la métaphore des réseaux sociaux afin de créer des réseaux flexibles de personnes et d’objets. Nous fondons notre approche sur les résultats issus des domaines des multi-agents et du WoT afin de produit un WoT Social.Notre proposition prend en compte les besoins d’hétérogénéité, de découverte et d’interaction flexible dans l’IoT. Elle offre également un coût minimal pour les développeurs et les utilisateurs via différentes couches d’abstraction permettant de limité la complexité de cet éco-système. Nous démontrons ces caractéristiques par la mise en oeuvre de plus scénarios applicatifs. / The Internet of Things (IoT) aims to create a global ubiquitous ecosystem composed of large numbers of heterogeneous devices. To achieve this vision, the World Wide Web is emerging as a suitable candidate to interconnect IoT devices and services at the application layer into a Web of Things (WoT).However, the WoT is evolving towards large silos of things, and thus the vision of a global ubiquitous ecosystem is not fully achieved. Furthermore, even if the WoT facilitates mashing up heterogeneous IoT devices and services, existing approaches result in static IoT mashups that cannot adapt to dynamic environments and evolving user requirements. The latter emphasizes another well-recognized challenge in the IoT, that is enabling people to interact with a vast, evolving, and heterogeneous IoT.To address the above limitations, we propose an architecture for an open and self-governed IoT ecosystem composed of people and things situated and interacting in a global environment sustained by heterogeneous platforms. Our approach is to endow things with autonomy and apply the social network metaphor to createflexible networks of people and autonomous things. We base our approach on results from multi-agent and WoT research, and we call the envisioned IoT ecosystem the Social Web of Things.Our proposal emphasizes heterogeneity, discoverability and flexible interaction in the IoT. In the same time, it provides a low entry-barrier for developers and users via multiple layers of abstraction that enable them to effectively cope with the complexity of the overall ecosystem. We implement several application scenarios to demonstrate these features.

L’Internet des Objets (IoT) vise à créer un eco-système global et ubiquitaire composé d’un grand nombre d’objets hétérogènes. Afin d’atteindre cette vision, le World Wide Web apparaît comme un candidat adapté pour interconnecter objets et services à la couche applicative en un Web des Objets (WoT).Cependant l’évolution actuelle du WoT produit des silos d’objets et empêche ainsi la mise en place de cette vision. De plus, même si le Web facilite la composition d’objets et services hétérogènes, les approches existantes produisent des compositions statiques incapables de s’adapter à des environnements dynamiques et des exigences évolutives. Un autre défi est à relever: permettre aux personnes d’interagir avec le vaste, évolutif et hétérogène IoT.Afin de répondre à ces limitations, nous proposons une architecture pour IoT ouvert et autogouverné, constitué de personnes et d’objets situés, en interaction avec un environnement global via des plateformes hétérogènes. Notre approche consiste de rendre les objets autonomes et d’appliquer la métaphore des réseaux sociaux afin de créer des réseaux flexibles de personnes et d’objets. Nous fondons notre approche sur les résultats issus des domaines des multi-agents et du WoT afin de produit un WoT Social.Notre proposition prend en compte les besoins d’hétérogénéité, de découverte et d’interaction flexible dans l’IoT. Elle offre également un coût minimal pour les développeurs et les utilisateurs via différentes couches d’abstraction permettant de limité la complexité de cet éco-système. Nous démontrons ces caractéristiques par la mise en oeuvre de plus scénarios applicatifs. / The Internet of Things (IoT) aims to create a global ubiquitous ecosystem composed of large numbers of heterogeneous devices. To achieve this vision, the World Wide Web is emerging as a suitable candidate to interconnect IoT devices and services at the application layer into a Web of Things (WoT).However, the WoT is evolving towards large silos of things, and thus the vision of a global ubiquitous ecosystem is not fully achieved. Furthermore, even if the WoT facilitates mashing up heterogeneous IoT devices and services, existing approaches result in static IoT mashups that cannot adapt to dynamic environments and evolving user requirements. The latter emphasizes another well-recognized challenge in the IoT, that is enabling people to interact with a vast, evolving, and heterogeneous IoT.To address the above limitations, we propose an architecture for an open and self-governed IoT ecosystem composed of people and things situated and interacting in a global environment sustained by heterogeneous platforms. Our approach is to endow things with autonomy and apply the social network metaphor to createflexible networks of people and autonomous things. We base our approach on results from multi-agent and WoT research, and we call the envisioned IoT ecosystem the Social Web of Things.Our proposal emphasizes heterogeneity, discoverability and flexible interaction in the IoT. In the same time, it provides a low entry-barrier for developers and users via multiple layers of abstraction that enable them to effectively cope with the complexity of the overall ecosystem. We implement several application scenarios to demonstrate these features.

L'Internet des Objets, dont la vision et les technologies provoquent la rencontre des mondes physique et numérique, amène aujourd'hui à la création de nouveaux types d'applications permettant d'interopérer les services du World Wide Web avec les produits du quotidien. Ces applications " orientées produit ", capables de représenter, contrôler ou de compléter les fonctions d'artéfacts intégrant des capacités de traitement de l'information, remettent en cause les principes et conventions établies par les métiers de la conception. Elles préfigurent l'émergence de produits connectés à Internet, dont l'offre fonctionnelle peut être " augmentée " et modifiée au cours du temps, de manière à répondre aux besoins changeants des utilisateurs. Cette recherche, menée à l'intersection des sciences de la conception, de l'informatique ubiquitaire et des interactions homme-machine, vise à étudier les enjeux que suscitent ces applications lors la conception de produits. Elle met en exergue la nécessité d'établir un modèle descriptif des applications orientées produit facilitant leur figuration par les utilisateurs, ainsi que d'explorer les problèmes pragmatiques résultant de leur intégration dans les produits. Elle conduit également à l'élaboration et l'évaluation, par la pratique, de principes pour le design de la forme et des interactions des produits augmentés. Elle décrit plus particulièrement la ductilité de futurs produits, le nouveau rapport entre fonction, comportement et structure qu'ils établissent, et leurs possibles évolutions. Cette recherche contribue aux travaux sur l'Internet des Objets en proposant un nouveau cadre de discussion, et en offrant aux chercheurs et aux praticiens des outils qui peuvent être employés durant le processus de conception.

Les villes contemporaines font face à de nombreux enjeux : énergétiques,écologiques, démographiques ou encore économiques. Pour y répondre, des moyens technologiques sont mis en place dans les villes via l’utilisation de capteurs et d’actionneurs. Ces villes sont dites intelligentes.Actuellement, les villes intelligentes sont opérés des acteurs qui ne partagent ni leurs données de capteurs ni l’accès à leurs actionneurs.Cette situation est dite verticale : chaque opérateur déploie ses propres capteurs et actionneurs et possède sa propre infrastructure informatique hébergeant ses applications. Cela conduit à une redondance de l’infrastructure et à des applications ad-hoc pour superviser et contrôler un domaine de la ville.Une tendance est d’aller vers une situation dite horizontale via l’utilisation d’une plateforme de médiation ouverte et partagée. Les données de capteurs et les accès aux actionneurs sont mutualisés au sein de ce type de plateforme, permettant leur partage entre les différents acteurs. Les coûts d’infrastructure et de développement s’en trouvent alors réduits.Cette thèse s’inscrit dans ce contexte d’horizontalisation, au sein d’une plate- forme ouverte et partagée, dans laquelle nous proposons :1) une couche d’abstraction pour le contrôle et la supervision de la ville, 2) un mécanisme de contrôle de concurrence gérant les cas de conflits, 3) un mécanisme de coordination favorisant la réutilisation des actionneurs, 4) une implémentation de notre travail par une preuve de concept.L’abstraction que nous proposons se base sur des modèles issus des systèmes réactifs. Ils ont pour objectif d’être générique et représente l’invariant de la ville intelligente : les éléments physiques. Ils permettent aux applications de contrôler et superviser la ville.Pour faciliter le développement d’applications nous uniformisons l’interface de nos modèles. Ces applications pouvant avoir des contraintes temps réel, particulièrement celles qui ont des objectifs de contrôle, nous proposons de tirer parti de l’architecture distribuée de ce type de plateforme.Compte-tenu du partage des actionneurs, nous avons identifié que des conflits peuvent survenir entre les applications. Nous proposons un mécanisme de contrôle de concurrence pour traiter ces cas de conflits.Nous avons également identifié qu’un mécanisme de coordination doit être offert aux applications souhaitant effectuer atomiquement des opérations de contrôle. Un tel mécanisme favorise la réutilisation des actionneurs présents dans la ville.Enfin, nous avons implémenté nos propositions autour d’une preuve de concept, comprenant plusieurs cas d’usages, permettant de démontrer notre travail. / Nowadays cities face several challenges and are concerned by ecological, energetic, economical, and demographical aspects. Smart cities, equipped with sensors, actuators, and digital infrastructures, are meant to tackle these issues.Current smart cities are operated by several actors without sharing sensor data or accesses to the actuators. This is a vertical organization, in which each actor deploys its own sensors and actuators, and manages its own digital infrastructure. Each actor may be interested in a different aspect of city management, for instance traffic management, air control, etc. The current trend is a transition towards a more horizontal organization, based on an open and shared mediation platform. In such a platform, sensor data and accesses to actuators can be shared among several actors. The costs related to nfrastructure deployment and management are therefore reduced for each individual actor. This PhD is a contribution to this volution towards horizontal organizations, with open and shared platforms. We propose: (1) an abstraction layer for the ontrol and supervision of the city; (2) a concurrency management mechanism; (3) a coordination mechanism that helps haring actuators; (4) a proof-of-concept implementation of these contributions. The abstraction layer we propose helps users control and supervise a city. It is based upon formal models inspired by the ones used in the programming of reactive systems. They represent the physical elements present in each smart city, with genericity principles. In order to ease application development, the interface of those models is made uniform. Since applications, especially control ones, may ave real-time constraints, we also list the constraints this poses on distributed infrastructures. As soon as actuators are shared, conflicts may occur between users. Our proposals include a concurrency management mechanism, based on eservation principles. We also provide a coordination mechanism for the users to be able to perform several actions in an tomic way.All these principles have been implemented as a proof of concept. We review several use cases, to demonstrate he potential benefits of our proposals.

Dans le contexte de l'Internet des Objets (IoT), on estime à plus de 10% la proportion de connections réalisées via les réseaux longue portée bas débit, représentant ainsi plusieurs milliards d’objet connectés. Afin de satisfaire les exigences en termes de sensibilité et de réduction du débit, deux approches sont généralement envisagées : l’approche bande étroite, et l’approche faible efficacité spectrale. En comparant les performances des systèmes existants à la limite théorique issue de la théorie de l'information et démontrée par Shannon, on constate qu’un gain en performance est atteignable, tout en travaillant toujours à de faibles niveaux de sensibilité. La théorie de l'information permet d'affirmer qu'un compromis entre l'efficacité spectrale et l'efficacité énergétique doit toujours être fait. Ainsi, une haute efficacité énergétique s'obtiendra au détriment d'une efficacité spectrale faible. A l'inverse, un système fonctionnant à une haute efficacité spectrale devra utiliser plus d'énergie pour transmettre le même nombre de bits et atteindre le même taux d'erreur.Ce travail s’intéresse à l’approche faible efficacité spectrale. En partant des modulations orthogonales, qui permettent d’atteindre la limite théorique de Shannon à des efficacités spectrales très faibles, et des processus turbo, qui atteignent d’excellentes performances à des efficacités spectrales élevées, l’utilisation conjointe d’une modulation orthogonale et d'un code correcteur associés à un récepteur itératif dans une technique dénommée Turbo-FSK est étudiée. Les différents paramètres de la technique sont optimisés en utilisant un outil classique des processus itératifs, l’Extrinsic Information Transfer (EXIT) chart. Les performances mesurées démontrent que la technique permet bien d’atteindre de très faibles niveaux de sensibilité et répond aux critères des réseaux longue portée bas débit. Cependant, la technique ne dispose de point de fonctionnement qu’à de très faibles valeurs d’efficacité spectrale : pour certaines applications ou si la portée nécessaire est réduite, il peut être bénéfique pour le système d’augmenter son efficacité spectrale. Ceci est rendu possible grâce à l’introduction d’une composante linéaire dans l’alphabet de modulation et d’un mécanisme de poinçonnage spécifique à la technique dans une version flexible appelée Coplanar Turbo-FSK. L’étude de l’influence des paramètres et des performances sur un canal à bruit blanc additif gaussien permet en effet de conclure sur la flexibilité de l’efficacité spectrale du système, tout en fonctionnant proche de la limite théorique. Finalement, l’étude jusqu’ici théorique est étendue à un contexte plus pratique, où des canaux sélectifs en fréquences sont considérés. Une encapsulation du système utilisant une architecture OFDM est considérée, et différentes mesures caractéristiques des systèmes de télécommunication sont évaluées. Les résultats sont confrontés à la solution Narrow-Band IoT proposée par l’organisme 3GPP et démontrent ici encore le potentiel de la solution Turbo-FSK pour les réseaux longue portée bas débit. / More than 10% of the Internet-of-Things (IoT) connections are expected to be realized through Low Power Wide Area (LPWA) networks, representing several billions of connected devices. Several industrial solutions have been developed and a standardization process is ongoing. The low levels of sensitivity and low data rate required for the long range communication are achieved by the means of two strategies: a narrow-band strategy and a low spectral efficiency strategy. Considering the limits of the information theory, additional gains in the communication's energy efficiency can be achieved. Nonetheless, a trade-off between spectral efficiency and energy efficiency should always be made. Reliable transmission with high energy efficiency will necessarily result in poor spectral efficiency, and in comparison, a system with a higher spectral efficiency has to consume more energy to transmit the same amount of bits with the same arbitrary level of error.This work considers the low spectral efficiency strategy. The combination of orthogonal modulations and a powerful channel code is studied. The scheme, so-called Turbo-FSK, associates the low spectral efficiency of Frequency Shift Keying (FSK) with the energy efficiency gain of a turbo receiver. Low levels of spectral efficiency can be achieved while optimizing the use of the available resource. The parameters of the scheme are optimized using a classic tool for iterative receivers, the Extrinsic Information Transfer (EXIT) chart. Performance of Turbo-FSK compared to existing LPWA solutions demonstrates the potential of the proposed solution to achieve low levels of sensitivity and to outperform existing schemes. However, the restrictions on low levels of spectral efficiency reduces the number of possible applications for the scheme. By introducing a linear component in the alphabet and a puncturing procedure, flexibility in spectral efficiency is achieved. A large range of spectral efficiencies can be obtained while maintaining performance close to the channel capacity theoretical limit. Eventually, more practical scenarios are considered for evaluating the performance of the scheme. Frequency selective channels are considered and an encapsulation in a Fast Fourier Transform (FFT) based system is implemented. Various indicators are studied and the Turbo-FSK scheme is compared to well-known technologies, such as schemes using Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) associated with a powerful Forward Error Correction (FEC) scheme, namely Turbo Code (TC).

L’informatique en nuage (cloud computing) est souvent le modèle de calcul le plus référencé pour l’internet des objets (Internet of Things).Ce modèle adopte une architecture où toutes les données de capteur sont stockées et traitées de façon centralisée. Malgré de nombreux avantages, cette architecture souffre d’une faible évolutivité alors même que les données disponibles sur le réseau sont en constante augmentation. Il est à noter que, déjà actuellement, plus de50 % des connexions sur Internet sont inter objets. Cela peut engendrer un problème de fiabilité dans les applications temps réel. Le calcul en périphérie (Edge computing) qui est basé sur une architecture décentralisée, est connue comme une solution pour ce problème émergent en : (1) renforçant l’équipement au bord du réseau et (2) poussant le traitement des données vers le bord.Le calcul en périphérie nécessite des noeuds de capteurs dotés d’une plus grande capacité logicielle et d’une plus grande puissance de traitement, bien que contraints en consommation d’énergie. Les systèmes matériels hybrides constitués de FPGAs et de processeurs offrent un bon compromis pour cette exigence. Les FPGAs sont connus pour permettre des calculs exhibant un parallélisme spatial, aussi que pour leur rapidité, tout en respectant un budget énergétique limité. Coupler un processeur au FPGA pour former un noeud garantit de disposer d’un environnement logiciel flexible pour ce nœud.La conception d’applications pour ce type de systèmes hybrides (réseau/logiciel/matériel) reste toujours une tâche difficile. Elle couvre un vaste domaine d’expertise allant du logiciel de haut niveau au matériel de bas niveau (FPGA). Il en résulte un flux de conception de système complexe, qui implique l’utilisation d’outils issus de différents domaines d’ingénierie. Une solution commune est de proposer un environnement de conception hétérogène qui combine/intègre l’ensemble de ces outils. Cependant, l’hétérogénéité intrinsèque de cette approche peut compromettre la fiabilité du système lors des échanges de données entre les outils.L’objectif de ce travail est de proposer une méthodologie et un environnement de conception homogène pour un tel système. Cela repose sur l’application d’une méthodologie de conception moderne, en particulier la conception orientée objet (OOD), au domaine des systèmes embarqués. Notre choix de OOD est motivé par la productivité avérée de cette méthodologie pour le développement des systèmes logiciels. Dans le cadre de cette thèse, nous visons à utiliser OOD pour développer un environnement de conception homogène pour les systèmes de type Edge Computing. Notre approche aborde trois problèmes de conception: (1) la conception matérielle, où les principes orientés objet et les patrons de conception sont utilisés pour améliorer la réutilisation, l’adaptabilité et l’extensibilité du système matériel. (2) la co-conception matériel/logiciel, pour laquelle nous proposons une utilisation de OOD afin d’abstraire l’intégration et la communication entre matériel et logiciel, ce qui encourage la modularité et la flexibilité du système. (3) la conception d’un intergiciel pour l’Edge Computing. Ainsi il est possible de reposer sur un environnement de développement centralisé des applications distribuées† tandis ce que l’intergiciel facilite l’intégration des nœuds périphériques dans le réseau, et en permet la reconfiguration automatique à distance. Au final, notre solution offre une flexibilité logicielle pour la mise en oeuvre d’algorithmes distribués complexes, et permet la pleine exploitation des performances des FPGAs. Ceux-ci sont placés dans les nœuds, au plus près de l’acquisition des données par les capteurs, pour déployer un premier traitement intensif efficace. / Cloud computing is often the most referenced computational model for Internet of Things. This model adopts a centralized architecture where all sensor data is stored and processed in a sole location. Despite of many advantages, this architecture suffers from a low scalability while the available data on the network is continuously increasing. It is worth noting that, currently, more than 50% internet connections are between things. This can lead to the reliability problem in realtime and latency-sensitive applications. Edge-computing which is based on a decentralized architecture, is known as a solution for this emerging problem by: (1) reinforcing the equipment at the edge (things) of the network and (2) pushing the data processing to the edge.Edge-centric computing requires sensors nodes with more software capability and processing power while, like any embedded systems, being constrained by energy consumption. Hybrid hardware systems consisting of FPGA and processor offer a good trade-off for this requirement. FPGAs are known to enable parallel and fast computation within a low energy budget. The coupled processor provides a flexible software environment for edge-centric nodes.Applications design for such hybrid network/software/hardware (SW/HW) system always remains a challenged task. It covers a large domain of system level design from high level software to low-level hardware (FPGA). This result in a complex system design flow and involves the use of tools from different engineering domains. A common solution is to propose a heterogeneous design environment which combining/integrating these tools together. However the heterogeneous nature of this approach can pose the reliability problem when it comes to data exchanges between tools.Our motivation is to propose a homogeneous design methodology and environment for such system. We study the application of a modern design methodology, in particular object-oriented design (OOD), to the field of embedded systems. Our choice of OOD is motivated by the proven productivity of this methodology for the development of software systems. In the context of this thesis, we aim at using OOD to develop a homogeneous design environment for edge-centric systems. Our approach addresses three design concerns: (1) hardware design where object-oriented principles and design patterns are used to improve the reusability, adaptability, and extensibility of the hardware system. (2) hardware / software co-design, for which we propose to use OOD to abstract the SW/HW integration and the communication that encourages the system modularity and flexibility. (3) middleware design for Edge Computing. We rely on a centralized development environment for distributed applications, while the middleware facilitates the integration of the peripheral nodes in the network, and allows automatic remote reconfiguration. Ultimately, our solution offers software flexibility for the implementation of complex distributed algorithms, complemented by the full exploitation of FPGAs performance. These are placed in the nodes, as close as possible to the acquisition of the data by the sensors† in order to deploy a first effective intensive treatment.