No description available.

La presente tesis doctoral contribuye a la incesante evolución de las comunicaciones inalámbricas. Se centra en el diseño de protocolos de acceso al medio (MAC) para redes ad hoc y redes inalámbricas cooperativas. En una primera parte introductoria se presenta un minucioso estado del arte y se establecen las bases teóricas de las contribuciones presentadas en la tesis. En esta primera parte introductoria se definen las principales motivaciones de la tesis y se plantean los objetivos. Después, las contribuciones de la tesis se organizan en dos grandes bloques, o partes. En la primera parte de esta tesis se diseña, analiza y evalúa el rendimiento de un novedoso protocolo MAC de alta eficiencia llamado DQMAN (Protocolo MAC basado en colas distribuidas para redes ad hoc). Este protocolo constituye la extensión y adaptación del protocolo DQCA, diseñado para redes centralizadas, para operar en redes sin infraestructura. En DQMAN se introduce un nuevo paradigma en el campo del acceso al medio para redes distribuidas: la integración de un algoritmo de clusterización espontáneo y dinámico basado en una estructura de master y esclavo junto con un protocolo MAC de alta eficiencia diseñado para redes centralizadas. Tanto el análisis teórico como las simulaciones por ordenador presentadas en esta tesis muestran que DQMAN mejora el rendimiento del actual estándar IEEE 802.11. La principal característica de DQMAN es que se comporta como un protocolo de acceso aleatorio cuando la carga de tráfico es baja y cambia automática y transparentemente a un protocolo de reserva a medida que el tráfico de la red aumenta. Además, su rendimiento es prácticamente independiente del número de usuarios simultáneos de la red, lo cual es algo deseable en redes que nacen para cubrir una necesidad espontánea y no pueden ser planificadas. El hecho de que algoritmo de clusterización se base en un acceso aleatorio permite la coexistencia e intercomunicación de usuarios DQMAN con usuarios basados en el estándar IEEE 802.11. Este estudio se presenta en esta primera parte de la tesis y es fundamental de cara a una posible explotación comercial de DQMAN. La metodología presentada en esta tesis mediante el cual se logra extender la operación de DQCA a entornos ad hoc sin infraestructura puede ser utilizada para adaptar cualquier otro protocolo centralizado. Con el objetivo de poner de manifiesto esta realidad, la primera parte de la tesis concluye con el diseño y evaluación de DPCF como una extensión distribuida del modo de coordinación centralizado (PCF) del estándar IEEE 802.11 para operar en redes distribuidas. La segunda parte de la tesis se centra en el estudio de un tipo específico de técnicas cooperativas: técnicas cooperativas de retransmisión automática (C-ARQ). La idea principal de las técnicas C-ARQ es que cuando un paquete de datos se recibe con bits erróneos, se solicita retransmisión, no a la fuente de datos, si no a cualquiera de los usuarios que escuchó la transmisión original. Estos usuarios se convierten en espontáneos retransmisores que permiten mejorar la eficiencia de la comunicación. A pesar de que este tipo de esquema puede obtener diversidad de cooperación, el hecho de implicar a más de un usuario en una comunicación punto a punto requiere una coordinación que hasta ahora ha sido obviada en la literatura, asumiendo que los retransmisores pueden coordinarse perfectamente para retransmitir uno detrás de otro. En esta tesis se analiza y evalúa el coste de coordinación impuesto por la capa MAC y se identifican los principales retos de diseño que las técnicas C-ARQ imponen al diseño de la capa MAC. Además, se presenta el diseño y análisis de dos novedosos protocolos MAC para C-ARQ: DQCOOP y PRCSMA. El primero se basa en DQMAN y constituye una extensión de este para operar en esquemas C-ARQ, mientras que el segundo constituye la adaptación del estándar IEEE 802.11 para poder ejecutarse en un esquema C-ARQ. El rendimiento de estos esquemas se compara en esta tesis tanto con esquemas no cooperativos como con esquemas ideales cooperativos donde se asume que el MAC es ideal. Los resultados principales muestran que el diseño eficiente de la capa MAC es esencial para obtener todos los beneficios potenciales de los esquemas cooperativos. / This thesis aims at contributing to the incessant evolution of wireless communications. The focus is on the design of medium access control (MAC) protocols for ad hoc and cooperative wireless networks. A comprehensive state of the art and a background on the topic is provided in a first preliminary part of this dissertation. The motivations and key objectives of the thesis are also presented in this part. Then, the contributions of the thesis are divided into two fundamental parts. The first part of the thesis is devoted to the design, analysis, and performance evaluation of a new high-performance MAC protocol. It is the Distributed Queueing MAC Protocol for Ad hoc Networks (DQMAN) and constitutes an extension and adaptation of the near-optimum Distributed Queueing with Collision Avoidance (DQCA) protocol, designed for infrastructure-based networks, to operate over networks without infrastructure. DQMAN introduces a new access paradigm in the context of distributed networks: the integration of a spontaneous, dynamic, and soft-binding masterslave clustering mechanism together with a high-performance infrastructure-based MAC protocol. Theoretical analysis and computer-based simulation show that DQMAN outperforms IEEE 802.11 Standard. The main characteristic of the protocol is that it behaves as a random access control protocol when the traffic load is low and it switches smoothly and automatically to a reservation protocol as the traffic load grows. In addition, its performance is almost independent of the number of users of a network. The random-access based clustering algorithm allows for the coexistence and intercommunication of stations using DQMAN with the ones just based on the legacy IEEE 802.11 Standard. This assessment is also presented in this first part of the dissertation and constitutes a key contribution in the light of the commercial application of DQMAN. Indeed, the rationale presented in this first part of the thesis to extend DQCA and become DQMAN to operate over distributed networks can be used to extend the operation of any other infrastructure-based MAC protocol to ad hoc networks. In order to exemplify this, a case study is presented to conclude the first part of the thesis. The Distributed Point Coordination Function (DPCF) MAC protocol is presented as the extension of the PCF of the IEEE 802.11 Standard to be used in ad hoc networks. The second part of the thesis turns the focus to a specific kind of cooperative communications: Cooperative Automatic Retransmission Request (C-ARQ) schemes. The main idea behind C-ARQ is that when a packet is received with errors at a receiver, a retransmission can be requested not only from the source but also to any of the users which overheard the original transmission. These users can become spontaneous helpers to assist in the failed transmission by forming a temporary ad hoc network. Although such a scheme may provide cooperative diversity gain, involving a number of users in the communication between two users entails a complicated coordination task that has a certain cost. This cost has been typically neglected in the literature, assuming that the relays can attain a perfect scheduling and transmit one after another. In this second part of the thesis, the cost of the MAC layer in C-ARQ schemes is analyzed and two novel MAC protocols for C-ARQ are designed, analyzed, and comprehensively evaluated. They are the DQCOOP and the Persistent Relay Carrier Sensing Multiple Access (PRCSMA) protocols. The former is based on DQMAN and the latter is based on the IEEE 802.11 Standard. A comparison with non-cooperative ARQ schemes (retransmissions performed only from the source) and with ideal CARQ (with perfect scheduling among the relays) is included to have actual reference benchmarks of the novel proposals. The main results show that an efficient design of the MAC protocol is crucial in order to actually obtain the benefits associated to the C-ARQ schemes.

L’utilisation des communications multi-canaux au niveau des protocoles MAC (MAC multi-canaux) dans les réseaux sans fil peut améliorer significativement le débit du réseau par rapport aux protocoles MAC mono-canal en permettant à plusieurs transmissions concurrentes d’avoir lieu simultanément sans interférence sur différents canaux non recouverts. Cependant, l’environnement multicanaux ajoute une nouvelle dimension aux protocoles MAC qui nécessite un nouveau mécanisme appelé "le mécanisme d’allocation des canaux" pour coordonner l’utilisation des canaux. Le rôle de ce mécanisme est de permettre aux nœuds de s’accorder sur le canal qui doit être utilisé et à quel moment pour la transmission de données dans un contexte distribué. L’absence de ce mécanisme ou une mauvaise coordination de l’utilisation des canaux peut produire l’effet inverse de celui recherché. Ainsi, l’efficacité d’un protocole MAC multi-canaux dépend strictement de l’efficacité du mécanisme d’allocation des canaux, qui par ailleurs, doit offrir les garanties nécessaires au fonctionnement de la communication multi-canaux. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la modélisation, l’analyse et la conception de nouveaux protocoles MAC multi-canaux dans les réseaux sans fil. Dans un premier temps, nous nous focalisons sur la spécification formelle et la vérification des propriétés fondamentales inhérentes aux activités de l’allocation des canaux et son impact sur le transfert de données des principales approches MAC multi-canaux proposées dans la littérature. Dans un second temps, nous visons à proposer, modéliser et à analyser formellement deux nouveaux protocoles MAC multicanaux résultants de l’analyse qualitative réalisée. Enfin, une étude quantitative et comparative est menée afin d’analyser les performances des protocoles proposés en terme de débit et d’impact du temps de commutation entre les canaux. / The use of multi-channel communications in MAC protocols (multi-channel MAC) for wireless networks can significantly improve the network throughput compared with single channel MAC protocols since concurrent transmissions can take place simultaneously on distinct non-overlapping channels without interfering. However, due to the multi-channel environment, a novel issue must be addressed in MAC protocols, which is called "the channel assignment mechanism" in order to coordinate the channels access. The role of this mechanism is to enable nodes to agree on which channel should be used and when for data transmission in a distributed way. The absence of this mechanism or a bad coordination of the channel usage can incur the opposite effect to that intended. Thus, the efficiency of a multi-channel MAC protocol depends strictly on the efficiency of the channel assignment mechanism, which also must provide the guarantees necessary to the good behavior of the multi-channel communications. In this thesis, we focus on the modeling, analysis, and design of new multi-channel MAC protocols in wireless networks. Firstly, we focus on the formal specification and verification of fundamental properties inherent to the activities of the channel assignment and its impact on the data transfer for the main multi-channel MAC approaches proposed in the literature. Secondly, we aim to propose, model and analyze formally two new multichannel MAC protocols, resulting from the qualitative analysis conducted. Finally, a quantitative and comparative study is conducted to analyze the performance of the proposed protocols in terms of the throughput and the impact of the switching time between channels.

La technique MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) est l’une des techniques de base qui offre une diversité spatiale. Elle associe plusieurs antennes à l’émission et à la réception. En plus de la diversité spatiale, le système MIMO permet d’augmenter le gain de multiplexage sans avoir besoin de plus de bande passante ou de puissance d’émission. Cependant, la technique MIMO a des limites liées au coût d’installation de plusieurs antennes sur un terminal, et a l’écart minimal exigé entre les antennes. La communication coopérative a été proposée comme une technologie alternative, dans laquelle la diversité spatiale peut être réalisée en coordonnant plusieurs nœuds qui sont proches géographiquement pour former des réseaux d’antennes virtuelles. La coopération permet de lutter contre l’instabilité du canal radio et de faire face aux phénomènes qui le perturbent comme les évanouissements, les bruits, ou les interférences. Elle permet aussi d’améliorer les performances du système en termes de débit global, d’énergie consommée et d’interférences, etc. Dans le cadre des communications coopératives, nous avons proposé deux protocoles MAC coopératifs dans le contexte des réseaux ad hoc. La première proposition est le protocole RACT (Rate Adaptation with Cooperative Transmission). Ce protocole combine la coopération avec un mécanisme d’adaptation de débit. Lorsqu’un lien entre une source et une destination subit de mauvaises conditions de canal, une station relais est sélectionnée dans le voisinage des deux nœuds de sorte que la liaison directe à faible débit de transmission soit remplacée par un lien à deux sauts avec un débit de données plus élevé. La sélection du meilleur relais est fondée sur un processus de contention distribué. La procédure ne nécessite aucune connaissance de la topologie et aucune communication entre les relais potentiels. Lorsque la qualité de la liaison directe est bonne et que la transmission coopérative n’est pas nécessaire, le protocole fonctionne comme un mécanisme d’adaptation de débit. L’adaptation de débit de données est également réalisée sans aucune signalisation supplémentaire. La sélection du meilleur relais et l’adaptation de débit sont fondés sur des mesures instantanées du canal pour s’adapter aux conditions dynamiques du canal radio. Dans le but d’améliorer davantage les performances du système, nous avons proposé notre deuxième protocole MAC coopératif PRACT (Power and Rate Adaptation with Cooperative Transmission). Ce protocole combine un mécanisme d’adaptation de puissance et de débit (TPRC : Transmit Power and Rate Control) avec un mécanisme de coopération. C’est en cela que cette contribution se distingue des solutions proposées dans la littérature. Notre objectif avec cette contribution est d’atteindre une efficacité d’énergie pour la transmission des données tout en augmentant le débit global du réseau. PRACT propose d’ajuster dynamiquement la puissance et le débit de transmission en s’adaptant aux variations de la qualité du canal radio. Cela permet de gagner davantage dans l’énergie économisée. En outre, le contrôle de puissance, réduit les interférences et augmente la réutilisation spatiale entre cellules ad hoc adjacentes en utilisant la même fréquence de transmission. L’idée de base du protocole est de permettre à chaque nœud dans le réseau ad hoc de créer une table avec les combinaisons puissance-débit optimales, en se fondant seulement sur les spécifications de la carte réseau, à savoir, les débits de transmission possible et la consommation en énergie de la carte. Avec la connaissance des qualités des liens obtenue grâce à l’échange des trames de contrôle et en recherchant dans la table puissance-débit, les nœuds choisissent la stratégie de transmission la plus adaptée pour chaque transmission de trames de données, ainsi que le mode de transmission (direct ou coopératif). / MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) technology is one of the basic techniques that offer a spatial diversity. It combines multiple antennas for transmission and reception. In addition to spatial diversity, MIMO can increase the multiplexing gain without requiring more bandwidth or transmit power. However, the MIMO technology has limitations related to the cost of installing multiple antennas on a terminal, and to the minimum distance required between antennas. The cooperative communication has been proposed as an alternative technology, in which the spatial diversity can be achieved by coordinating multiple nodes that are geographically close to form virtual antenna arrays. Cooperation helps to fight against the instability of the radio channel and deal with phenomena that disturb this channel like fading, noise or interference. It also improves system performance in terms of overall throughput, energy consumption and interference, etc. In the context of cooperative communications, we proposed two MAC protocols in the context of cooperative ad-hoc networks. The first proposal is the RACT (Rate Adaptation with Cooperative Transmission) protocol. This protocol combines cooperation with a rate adaptation mechanism. When a link between a source and a destination suffers from poor channel conditions, a relay station is selected in the neighborhood of the two nodes so that the direct low data-rate link is replaced by a two-hop link with a higher data-rate. Selecting the best relay is based on a distributed contention process. The procedure requires no knowledge of the topology and no communication between the potential relay. When the quality of the direct link is good enough and the cooperative transmission is not necessary, the protocol operates as a rate adaptation mechanism. The data rate adaptation is also performed without any additional signaling. Both the best relay selection and the rate adaptation is based only on the instantaneous channel measurements to adapt to the dynamic conditions of the radio channel. In order to further improve the system performance, we proposed our second cooperative MAC protocol PRACT (Power and Rate Adaptation with Cooperative Transmission). This protocol combines a power and rate control mechanism (TPRC: Transmit Power and Rate Control) with a mechanism for cooperation, this feature distinguishes this contribution from the solutions proposed in the literature. Our objective with this contribution is to achieve energy efficiency for data transmission while increasing the overall throughput of the network. PRACT proposes to dynamically adjust dynamically the power and the transmission rate to adapt to the radio channel quality variations. This way more energy can be saved. In addition, the power control reduces interference and increases the spatial reuse between adjacent ad-hoc cells using the same channel transmission frequency. The basic idea of the protocol is to allow each node in the network to create a table with the best power-rate combinations, based only on the specifications of the network card, namely the possible transmission rates, transmit power levels and the power consumption of the card. With the knowledge of the qualities of links obtained through the exchange of the control frames and looking up in the power-rate table, the nodes choose the most suitable transmission strategy, for each data frame transmission, and the transmission mode (direct or cooperative).

Les Réseaux de Capteurs Sans Fils (RCSFs) sont composés d'une multitude de nœuds, chacun étant capable de réaliser des mesures (température, pression, etc) et de communiquer par radio fréquence. Ces réseaux forment une pierre angulaire de l'Internet des Objets, en étant au cœur de nombreuses applications, par exemple de domotique ou d'agriculture de précision. La limite d'utilisation des RCSFs provient souvent de leurs durées de vie restreintes, les rendant peu intéressants pour des applications nécessitants de longues périodes de fonctionnement en autonomie. En effet, les RCSFs traditionnels sont alimentés par des piles individuelles équipant chaque nœud, et les nœuds sont ainsi condamnés à une durée de vie finie et courte par rapport aux besoins de certaines applications. De plus, changer les piles n'est pas toujours réalisable si le réseau est dense, ou si les nœuds sont déployés dans des environnements les rendant difficile d'accès. Une solution plus prometteuse est d'équiper chaque nœud d'un ou de plusieurs récupérateur(s) d'énergie individuel(s), et ainsi de le rendre capable de s'alimenter exclusivement à partir de l'énergie récoltée dans son environnent. Plusieurs sources d'énergie sont possibles, telles que le vent ou le solaire. Étant donné que les sources d'énergie sont typiquement dynamiques et non contrôlées, ne pas tomber en panne d'alimentation et nécessaire pour garantir un fonctionnement fiable. Comme l'augmentation de la qualité de service engendre souvent une augmentation de la puissance consommée, une solution simple est de configurer la qualité de service au déploiement à une valeur constante suffisamment faible pour éviter la panne d'alimentation. Cependant, cette solution ne permet pas d'exploiter pleinement l'énergie récoltée, et mène ainsi à un gaspillage d'énergie important ainsi qu'à de faibles qualités de service au vu de l'énergie récoltée. Une solution plus efficace est d'adapter dynamiquement la puissance consommée, et donc la qualité de service. Cette adaptation est faite par un composant logiciel appelé gestionnaire d'énergie. Dans cette thèse, deux nouvelles approches pour l'adaptation en ligne sont proposées, l'une s'appuyant sur la théorie du contrôle floue, et l'autre sur l'apprentissage par renforcement. De plus, comme la communication est souvent la tâche la plus énergivore dans les RCSFs, les wake-up receivers sont utilisées dans cette thèse pour réduire le coût des communications. Un modèle analytique générique a été proposé pour étudier différents protocoles de contrôle d'accès au support (Medium Access Control -- MAC), et combiné à des résultats expérimentaux pour évaluer les wake-up receivers. Aussi, un nouveau protocole MAC permettant la sélection opportuniste de relais a été proposé. Enfin, la combinaison des wake-up receivers et de la récolte d'énergie a été étudiée expérimentalement avec un cas pratique. / Wireless Sensor Networks (WSNs) are made of multiple sensor devices which measure physical value (e.g. temperature, pressure...) and communicate wirelessly. These networks form a key enabling technology of many Internet of Things (IoT) applications such as smart building and precision farming. The bottleneck of long-term WSN applications is typically the energy. Indeed, traditional WSNs are powered by individual batteries and a significant effort was devoted to maximizing the lifetime of these devices. However, as the batteries can only store a finite amount of energy, the network is still doomed to die, and changing the batteries is not always possible if the network is dense or if the nodes are deployed in a harsh environment. A promising solution is to enable each node to harvest energy directly in its environment, using individual energy harvesters. As most of the energy sources are dynamic and uncontrolled, avoiding power failures of the nodes is critical to enable reliable networks. Increasing the quality of service typically requires increasing the power consumption, and a simple solution is to set the quality of service of the nodes to a constant value low enough to avoid power failures. However, this solution does not fully exploits the available energy and therefore leads to high energy waste and poor quality of service regarding the available environmental energy. A more efficient solution is online adaptation of the node power consumption, which is performed by an energy manager on each node. In this thesis, two new approaches for online adaptation of the nodes energy consumption were proposed, relying on fuzzy control theory and reinforcement learning. Moreover, as communications are typically the most energy consuming task of a WSN node, emerging wake-up receivers were leveraged to reduce the energy cost of communications. A generic analytical framework for evaluating Medium Access Control (MAC) protocols was proposed, and it was combined to experiments to evaluate emerging wake-up receivers. A new opportunistic MAC protocol was also introduced for "on-the-fly" relay selection. Finally wake-up receivers and energy harvesting were combined and experimentally evaluated in a practical use case.

Malgré leur réussite remarquable, les premières versions des normes de réseaux locaux sans fil IEEE 802.11, IEEE 802. 11 a/b/g WLAN, sont caractérisées par une efficacité spectrale faible qui est devenue insuffisante pour satisfaire la croissance explosive de la demande de capacité et de couverture. Grâce aux progrès considérables dans le domaine des communications sans fil et l'utilisation de la bande de fréquence autour de 5 gigahertz le standard IEEE 802.11n et plus récemment 1'IEEE 802.11ac ont amélioré les débits offerts par la couche physique. Cela été possible grâce principalement à l'introduction des techniques multi-antennaires (MIMO, pour Multiple-Input) et des techniques avancées de modulation et de codage. Aujourd'hui, deux décennies après sa première apparition, le Wi-Fi est présenté comme une technologie WLAN permettant des débits supérieurs à 1 gigabit par seconde. Cependant, dans la plupart des scénarios de déploiement du monde réel, il n'est pas possible d'atteindre la pleine capacité offerte par la couche physique. Avec la croissance rapide de la densité des déploiements des WLANs et l'énorme popularité des équipements Wi-Fi, la réutilisation spatiale doit être optimisée. D'autre part, des nouveaux cas d’utilisation sont prévus pour décharger les réseaux cellulaires et pour couvrir des grandes surfaces (stades, gares, etc.). Ces environnements de haute densité représentent un vrai défi pour les générations actuelles de Wi-Fi qui doivent offrir une meilleure qualité à moindre coût. C'est dans ce contexte que s’inscrit l'objectif de cette thèse qui porte sur l'amélioration de l'efficacité des protocoles de la couche MAC des réseaux WLAN de haute densité. Notamment, un des buts de cette thèse est de contribuer à la préparation de la prochaine génération du standard Wi-Fi : IEEE 802.11ax High Efficiency WLAN (HEW). Plutôt que de continuer à cibler l'augmentation des débits maximums théoriques, nous nous concentrons dans le contexte de HEW sur l'amélioration du débit réel des utilisateurs. Pour cela, on prend en compte tous les autres équipements associés à des WLANs voisins, qui essayent d'accéder au même canal de transmission d’une manière simultanée. Pour améliorer la performance du Wi-Fi dans ces environnements denses, nous proposons une adaptation dynamique du mécanisme de détection de signal. Comparé au contrôle de la puissance de transmission, le mécanisme proposé est plus incitatif parce que l'utilisateur concerné bénéficie directement de son application. Les résultats de nos simulations montrent des gains importants en termes de débit atteint dans les scénarios de haute densité. Ensuite, nous étudions l’impact de la nouvelle adaptation sur les mécanismes de sélection de débit actuellement utilisés. D'après les résultats obtenus, 1'adaptation proposée peut être appliquée sans avoir besoin de modifications substantielles des algorithmes de sélection de débit. Pour améliorer l'équité entre les différents utilisateurs, nous élaborons une nouvelle approche distribuée pour adapter conjointement le mécanisme de détection de signal et le contrôle de la puissance de transmission. Cette approche est évaluée ensuite dans différents scénarios de simulation de haute densité où elle prouve sa capacité à résoudre les problèmes d'équité en particulier en présence de nœuds d'anciennes générations dans le réseau, cela tout en améliorant le débit moyen d'un facteur 4 par rapport à la performance conventionnelle du standard. Enfin, nous concevons et mettons en œuvre une solution centralisée basée sur l'apprentissage à base de réseaux de neurones. Cette approche repose sur l'adaptation conjointe de puissance de transmission et du mécanisme de détection du signal. [...] / Despite their remarkable success, the first widely spread versions of the Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 802.11 Wireless Local Area Network (WLAN) standard, IEEE 802. 11 a/b/g, featured low spectral efficiencies that are becoming insufficient to satisfy the explosive growth in capacity and coverage demands. Thanks to the advances in the communication theory and the use of the 5 GHz frequency band, the IEEE 802.11n and recently the IEEE 802.1lac amendments improved the Physical Layer (PHY) data rates by introducing Multiple-Input Multiple Output (MIMO) techniques, higher Modulation and Coding Scheme (MCS), etc. Today, after almost two decades of its first appearance, Wi-Fi is presented as a gigabit wireless technology. However, the full potential of the latest PHY layer advances cannot be enabled in all real world deployment scenarios. With the rapidly increasing density of WLAN deployments and the huge popularity of Wi-Fi enabled devices, spatial reuse must be optimized. On another hand, the new challenging use case environments and the integration of mobile networks mainly for cellular offloading are limiting the opportunity of the current Wi-Fi generations to provide better quality at lower cost.In this thesis, we contribute to the current standardization efforts aiming to leverage the Wi-Fi efficiency in high density environments. At the time of writing this document, the IEEE 802.11ax Task Group (TG) is developing the specification for the High Efficiency WLAN (HEW) standard (next Wi-Fi evolution). Rather than continuing to target increased theoretical peak throughputs, we focus in the context of HEW on improving the throughput experienced by users in real life conditions where many other devices, belonging to neighboring overlapping networks, simultaneously contend to gain access. To enhance this performance, we propose a dynamic adaptation of the carrier sensing mechanism. Compare to controlling the transmission power, the proposed mechanism has more incentives because it benefits directly the concerned user. Extensive simulation results show impor1ant throughput gains in dense scenarios. Then, we study the impact of the new adaptation on the current rate control algorithms. We find that our adaptation mechanism operates efficiently without substantially modifying these algorithms that are widely used in today's operating WLANs. Furthermore, after analyzing the fairness performance of the proposed adaptation, we devise a new approach to jointly adapt the carrier sensing and the transmission power in order to preserve higher fairness degrees while improving the spatial reuse. This approach is evaluated in different dense deployment scenarios where it proves its capability to resolve the unfairness issues especially in the presence of legacy nodes in the network, while improving the achieved throughput by 4 times compared to the standard performance. Finally, we design and implement centralized learning-based solution that uses also an approach based on joint adaptation of transmission power and carrier sensing. This new solution takes benefit from the capability of artificial neural networks to model complex nonlinear functions to optimize the spatial reuse in dense WLANs while preserving fairness among contending nodes. The different contributions of this work have helped bring efficient solutions for future WiFi networks. We have presented these solutions to the IEEE 802.11ax TG where they were identified as important potential technical improvements for the next WLAN standard.

Handling mobility in wireless sensor networks can pose formidable challenges in protocol design, especially, at the link layer. Since most of the proposed Medium Access Control (MAC) protocols do not accommodate mobility, a node has two options to deal with a deteriorating link: (a) to continue data transmission until the link breaks and then establishes a new link with a new relay node; or (b) to seamlessly transfer the communication to a better link parallel to the data transmission over the existing link. Different from option (a) where a node can only search for a new link after the original link disrupts, option (b) enables a node to perceive the change in the quality of a link in advance. The link quality prediction is implemented by an adaptive handover mechanism. Both approaches will inevitably introduce latency. This thesis aims to quantify and compare such latency. Specifically, it investigates the latency of packet transmission in a mobile wireless sensor network with and without the support of a handover mechanism. To start with, the thesis elaborates the effect of mobility on the performance of the existing MAC protocols, and the need to maintain an unbroken link during data transmission. To implement the handover, a target MAC protocol is required to be selected first. Since the Receiver-Initiated MAC protocol (RI-MAC) uses only short beacon and data packets during communication that substantially reduce overhearing, collision probability and data recovery cost, it is chosen as the carrier for the latency evaluation. Even though RI-MAC performs well in many aspects, it has several demerits. To address the monotonous increment in the backoff window size and to reduce the occurrence frequency of the dwell time, a burst data transmission pattern is adopted to optimize RI-MAC. With the optimization, the protocol reduces the long idle listening time that a node has to wait before data transmission, and thus, works well in a static scenario. However, due to the high probability of link disconnection, the burst data transmission does not perform well in case of mobility. For the sake of accommodating mobility, an adaptive handover mechanism is developed on top of the optimized RI-MAC. Once a node evaluates that the data packets cannot be completely transmitted before the link terminates, it will search for a new relay node while keeping communicating with the original collaborator. It is implemented by embedding a neighbor discovery request in a data packet that will be transmitted in a broadcast channel. Neighbors of the node will participate in the handover process as long as they are in an active state and their distance to the transmitter does not exceed a pre-defined threshold. As a proof-of-concept for the handover mechanism, a mathematical model is established. The transmission rate, the moving speed of human beings, the duty cycle and the network density are all taken into consideration. The analytical result shows that the communication latency decreases with an increment in the network density and the duty cycle when the handover mechanism is used, whereas the latency exhibits a reverse trend when the handover mechanism is not used. To validate the mathematics-based evaluation, the NS2 network simulator is employed. The simulation result is found to perform in accordance with the analytical result. It is asserted that the latency of packet transmission with the handover support is much less than that without the handover support. The communication latency can be saved by at least 0.28s when the handover mechanism is applied. This figure can even grow as the duty cycle and the network density increase. From this perspective, the handover mechanism is verified to improve the latency of packet transmission as far as mobility is concerned.

Les réseaux de capteurs sans fil sont utilisés dans de nombreuses applications de surveillance de l’environnement (par exemple, pour surveiller les volcans ou pour détecter les incendies de forêts). Dans de telles applications, les nœuds capteurs disposent d’une quantité limitée d’énergie, mais doivent fonctionner pendant des années sans avoir leurs batteries changées. La principale méthode utilisée pour permettre aux nœuds d’économiser leur énergie est de séquencer les périodes d’activité et d’inactivité. Cependant, la conception de protocoles MAC et de routage pour les applications avec des taux d’activité faibles est un défi. Dans cette thèse nous proposons des protocoles MAC avec de très faibles taux d’activité (moins de 1% d’activité) et des protocoles de routages adaptés pour des réseaux de capteurs sans fil dédiés aux applications de surveillance environnementale. Nos protocoles sont analysés et comparés aux protocoles existants par simulation et par expérimentation sur des nœuds TelosB. Malgré un taux d’activité très faible pour tous les nœuds, nos protocoles sont capables d’obtenir de bonnes performances, contrairement aux autres protocoles de la littérature, qui ne sont pas adaptés à opérer avec de faibles taux d’activité. / Wireless sensor networks are used in many environmental monitoring applications (e.g., to monitor forest fires or volcanoes). In such applications, sensor nodes have a limited quantity of energy, but must operate for years without having their batteries changed. The main mechanism used to allow nodes to save energy is to sequence periods of activity and inactivity. However, the design of MAC and routing protocols for applications with low duty-cycle is still a challenge. In this thesis, we proposed unsynchronized MAC and routing protocols for wireless sensor networks devoted to environmental monitoring applications. The main specificity of our protocols is that they are adapted to very low duty-cycle (less than 1 % for all nodes). Our protocols are analyzed and compared to existing protocols by simulation and experimentation on TelosB nodes. Despite this low duty-cycle for all nodes, our protocols are able to achieve good performance, unlike other protocols in the literature, which are not adapted to these extreme conditions.

De nos jours, une forte croissance des objets connectés est constatée, dépassant même la population mondiale. Devant l'ampleur de ce phénoméne, l'efficacité énergétique des objets communicants est une sérieuse problématique. La maximisation de leur durée de vie est requise pour assurer une qualité de service. Dans cette optique, les travaux de cette thèse visent à optimiser la consommation énergétique des communications sans fil dans un réseau de capteurs. Le télé-réveil, un concept imaginé depuis une dizaine d'années, consiste au déclenchement du réveil du noeud communicant par un signal radio à distance. Par défaut, le noeud reste en mode veille de façon permanente à très basse consommation. Au besoin, il peut être réveillé à la demande par un signal radio spécifique. Ainsi, la consommation énergétique du module radio est grandement réduite par l'écoute passive du canal en mode veille. Ce principe de télé-réveil nécessite toutefois le développement de nouvelles architectures matérielles associées à des protocoles de communication adaptés et innovants. Malgré les propositions récentes, le niveau de maturité technologique n'a pas encore été atteint sur ce sujet. Par conséquent, un système de télé-réveil est proposé dans cette thèse, en incluant une caractérisation théorique de ses performances. Le récepteur de télé-réveil consomme 363 nW en mode veille contre 49,8 µW en mode de réception. De plus, deux nouveaux protocoles de télé-réveil DoRa et DC-DoRa sont proposés avec une évaluation de leurs performances par simulation. Les résultats obtenus montrent que ces protocoles de télé-réveil diminuent fortement l'énergie consommée par le module radio, en comparaison des protocoles MAC actuellement utilisés dans les réseaux de capteur. Enfin, la mise en œuvre expérimentale du système et des protocoles de télé-réveil a permis de mesurer les performances réelles de notre approche dans un environnement de surécoute et d'interférence. / Nowadays, a significant growth of connected things is observed, exceeding even the worldpopulation. Given the magnitude of this phenomenon, the energy efficiency of communicatingobjects is a crucial issue. Maximizing their lifetime is necessary to ensure a qualityof service. In this regard, the aim of this thesis is to optimize the energy consumption ofwireless communications in a wireless sensor network.The concept of wake-up radio was created a decade ago, which consists of waking up thecommunicating node by a remote radio signal. By default, the node remains in sleepingmode at a very low power consumption. If needed, the node can be woken up on demandthrough a specific radio signal. Thus, the energy consumption of the radio module is greatlyreduced by idle listening to the channel in sleeping mode. However, this wake-up radioprinciple requires the development of new hardware architectures associated with adaptedand innovative communication protocols. Despite recent proposals, the level of technologymaturity has not yet been reached on this subject.Therefore, a wake-up radio system is proposed in this thesis, including a theoreticalcharacterization of its performances. The wake-up receiver consumes 363 nW in sleepingmode and 49.8 µW in receiving mode. Moreover, two new protocols called DoRa and DC-DoRaare proposed with an evaluation of their performances by simulation. The resultsshow that these wake-up radio protocols greatly reduce the energy consumed by the radiomodule, compared to the MAC protocols currently used in wireless sensor networks. Finally,the experimental implementation of the wake-up radio system and protocols enabled thereal performance measurement of our approach in an environment with overhearing andinterference.

Clock synchronization in a wireless sensor network (WSN) is essential as it provides a consistent and a coherent time frame for all the nodes across the network. Typically, clock synchronization is achieved by message passing using carrier sense multiple access (CSMA) for media access. The nodes try to synchronize with each other, by sending synchronization request messages. If many nodes try to send messages simultaneously, contention-based schemes cannot efficiently avoid collisions which results in message losses and affects the synchronization accuracy. Since the nodes in a WSN have limited energy, it is required that the energy consumed by the clock synchronization protocols is as minimum as possible. This can be achieved by reducing the duration for which the clock synchronization protocols execute. Synchronous clock synchronization protocols in WSNs execute the clock synchronization process at each node, roughly during the same real-time interval, called synchronization phase. The duration when there is no synchronization activity is called the synchronization interval. Synchronization phases are divided into synchronization rounds. The energy consumed by these protocols depends on the duration of the synchronization phase and how frequently the synchronization phase is executed. Hence, to minimize the energy consumption by each node, the duration of synchronization phase should be as small as possible. Due to different drift rates of the clocks, the synchronization phases at different nodes drift apart and special techniques are required to keep them in sync. An existing protocol, called improved weighted-average based clock synchronization (IWICS) uses a pullback technique to achieve this. If a message from (i + 1)th synchronization round is received by a node still executing the ith synchronization round, the receiving node reduces its next synchronization interval to ensure greater overlap in the synchronization rounds. The reduction in overlap is a gradual and continuous phenomenon, and so, it can be detected and dealt with continuously. In this thesis, first, we make use of TDMA-based MAC protocols, instead of CSMA, to deal with the problem of message losses. We discuss the challenges of using TDMA-based MAC protocols for clock synchronization and how to overcome these challenges. Second, The IWICS protocol calculates the virtual drift rate which we use to modify the duration of the synchronization interval so that there is more overlap between the synchronization phases of neighbouring nodes. We refer to this technique as drift rate correction. Finally, we propose a different pullback technique where the pullback detection is carried out in each of the synchronization phase as opposed to the old pullback mechanism where it would be detected only when an out-of-round synchronization message is received. The proposed pullback technique when applied to the current synchronization interval ensures that the synchronization phases, that follow the current synchronization interval, are better synchronized with each other. As a result of this, we are able to reduce the duration of synchronization phases further. The IWICS protocol with all these modifications incorporated is termed as the TIWICS (TDMA-based IWICS) protocol. Simulation and experimental results confirm that the TIWICS protocol performs better in comparison to the existing protocols.