The prospect of replacing existing fixed networks with cheap, flexible and evenmobile low-power wireless network has been a strong research driver in recent years.However, many challenges still exist: reliability is hampered by unstable and burstycommunication links; the wireless medium is getting congested by an increasingnumber of wireless devices; and life-times are limited due to difficulties in developingefficient duty-cycling mechanisms. These challenges inhibit the industry to fullyembrace and exploit the capabilities and business opportunities that low-powerwireless devices offer. In this thesis, we propose, design, implement, and evaluateprotocols and systems to increase flexibility and improve efficiency of low-powerwireless communications. First, we present MobiSense, a system architecture for energy-efficient communicationsin micro-mobility sensing scenarios. MobiSense is a hybrid architecturecombining a fixed infrastructure network and mobile sensor nodes. Simulations andexperimental results show that the system provides high throughput and reliabilitywith low-latency handoffs. Secondly, we investigate if and how multi-channel communication can mitigate theimpact of link dynamics on low-power wireless protocols. Our study is motivated bya curiosity to reconcile two opposing views: that link dynamics is best compensatedby either (i) adaptive routing, or (ii) multi-channel communication. We perform acomprehensive measurement campaign and evaluate performance both in the singlelink and over a multi-hop network. We study packet reception ratios, maximumburst losses, temporal correlation of losses and loss correlations across channels.The evaluation shows that multi-channel communication significantly reduces linkburstiness and packet losses. In multi-hop networks, multi-channel communicationsand adaptive routing achieves similar end-to-end reliability in dense topologies,while multi-channel communication outperforms adaptive routing in sparse networkswhere re-routing options are limited. Third, we address the problem of distributed information exchange in proximitybasednetworks. First, we consider randomized information exchange and assess thepotential of multi-channel epidemic discovery. We propose an epidemic neightbordiscoverymechanism that reduces discovery times considerably compared to singlechannelprotocols in large and dense networks. Then, the idea is extended todeterministic information exchange. We propose, design and evaluate an epidemicinformation dissemination mechanism with strong performance both in theory andpractice. Finally, we apply some of the concepts from epidemic discovery to the designof an asynchronous, sender-initiated multi-channel medium access protocol. Theprotocol combines a novel mechanism for rapid schedule learning that avoids perpacketchannel negotiations with the use of burst data transfer to provide efficientsupport of ’multiple contending unicast and parallel data flows. / De senaste åren har forskning inom trådlös kommunikation drivits av önskemåletom att kunna ersätta nuvarande trådbundna kommunikationslänkar med trådlösa lågenergialternativ.Dock kvarstår många utmaningar, såsom instabila och sporadiskalänkar, överbelastning på grund av en ökning i antal trådlösa enheter, hur maneffektivt kan växla duty-cycling mekanismen för att förlänga nätverkens livstid,med flera. Dessa utmaningar begränsar industrin från att ta till sig och utnyttjade fördelar som trådlösa lågenergialternativ kan medföra. I den här avhandlingenföreslår, designar, implementerar och utvärderar vi protokoll och system som kanförbättra de nuvarande trådlösa lågenergialternativen. Först presenterar vi MobiSense, en systemarkitektur för energibesparande kommunikationi mikro-mobila sensorscenarier. MobiSense är en hybridarkitektur somkombinerar ett fast infrastrukturnätverk med rörliga sensornoder. Simulerings- ochexperimentella resultat visar att systemet uppnår en högre överföringskapacitet ochtillförlitlighet samtidigt som överlämnandet mellan basstationer har låg latens. I den andra delen behandlar vi hur effekterna från länkdynamiken hos protokollför lågenergikommunikation kan minskas, och försöker förena idéerna hos två motståendesynsätt: (i) flerkanalskommunikation och (ii) adaptiv routing. Vi analyserarenkanals- och flerkanalskommunikation över en-stegslänkar i termer av andelenmottagna paket kontra andelen förlorade, den maximala sporadiska förlusten avpaket, tidskorrelation för förluster och förlustkorrelation mellan olika kanaler. Resultatenindikerar att flerkanalskommunikation med kanalhoppning kraftigt minskardet sporadiska uppträdandet hos länkarna och korrelationen mellan paketförluster.För flerstegsnätverk uppvisar flerkanalskommunikation och adaptiv routingliknande tillförlitlighet i täta topologier, medan flerkanalskommunikation har bättreprestanda än adaptiv routing i glesa nätverk med sporadiska länkar. I den tredje delen studeras distribuerat informationsutbyte i närhetsbaseradenätverk. Först betraktas det slumpmässiga fallet och vi fastställer potentialen hosflerkanalig indirekt utforskning av nätverket. Vi analyserar ett trestegs protokoll,som möjliggör en snabbare utforskning av nätverket. Sedan föreslår vi en ny algoritmför att upptäcka grannarna i ett flerkanalsnätverk, som kraftigt minskarutforskningstiden i jämförelse med ett enkanalsprotokoll. Vi utökar även problemettill det deterministiska fallet och föreslår en mekanism för informationsspridningsom påskyndar utforskningstiderna för deterministiska protokoll. Utvidgningen hartvå huvudförbättringar som leder till kraftigt ökad prestanda samtidigt som degaranterar att utforskningsprocessen är deterministisk. Till sist applicerar vi koncepten rörande indirekt utforskning för att designa,implementera och evaluera ett asynkront sändare-initierat flerkanals MAC protokollför trådlös lågenergikommunikation. Protokollet kombinerar en ny mekanism försnabbt lärande av tidsschemat, vilket undviker kanalförhandling för varje paket,med sporadisk dataöverföring. Detta möjliggör ett effektivt tillhandahållande avflera konkurrerande och parallella dataflöden. / <p>QC 20151204</p>

Le développement dans les micros systèmes électromécaniques (MEMS) combiné avec l'émergence des nouvelles technologies de l'information et de la communication a permis l'intégration des fonctionnalités de collecte, de traitement et de transmission des données dans un seul dispositif minuscule qui est le capteur sans fil. En voie de conséquence, les réseaux composés de ces capteurs offrent aujourd'hui une pléiade d'avantages par rapport aux réseaux traditionnels notamment en termes de simplicité et de coût de déploiement. Ceci a conduit au développement d'une gamme très variée d'applications des réseaux de capteurs sans fil dans les domaines de la santé, de l'environnement, de l'industrie, des infrastructures, des activités spatiales, ou encore des activités militaires et dans plusieurs autres domaines. Cependant, de nouveaux défis surgissent des caractéristiques particulières de ces réseaux. En réalité, de nombreuses applications de ces réseaux sont critiques et exigent qu'un fonctionnement correct du réseau soit maintenu le plus longtemps possible. Par contre, les environnements dans lesquels ces réseaux sont déployés rendent la mission de maintien en condition correcte de ces réseaux très compliquée et même parfois impossible ; d'où la nécessité d'intégrer des mécanismes d'auto-correction qui visent à surmonter les problèmes qui puissent surgir dans le réseau sans intervention humaine. Dans ce contexte, nous avons, dans cette thèse, concentré notre étude sur les techniques et les mécanismes mis en œuvre pour améliorer la propriété de tolérance aux pannes dans les réseaux de capteurs sans fil. Tout d'abord, nous avons proposé des approches centralisées et distribuées pour l'auto-rétablissement de la connectivité et la réallocation des canaux dans un contexte de réseaux de capteurs sans fil reposant sur des communications multi-canal après la panne d'un nœud critique. Après la formulation du problème sous la forme d'un problème d'optimisation multi-objectif, nous avons proposé des algorithmes basés sur des heuristiques de coloration de graphes et d'arbre de Steiner, très connus dans la théorie de graphes pour la résolution de ce type de problèmes. Dans une deuxième partie de cette thèse, nous avons étudié un cas d'application particulier, l'agriculture de précision, et avons proposé une solution distribuée pour le rétablissement du fonctionnement du réseau de capteurs sans fil / The development in Micro Electro-Mechanic Systems (MEMS) combined with the emergence of new information and communication technologies allowed the integration of the data sensing, processing and transmission in a single tiny device which is the wireless sensor. Consequently, the networks formed by these sensors offer a lot advantages compared with the traditional networks, in particular in terms of the deployment simplicity and cost. This led to the development of a wide range of Wireless Sensor Networks' applications in the domains of health, environment, industry, infrastructures, spatial activities, or even military activities and in many other domains. However, new challenges appear from the particular characteristics of these networks. In fact, many applications of this type of networks are critical and require that the correct functioning of the network is maintained as long as possible. However, the environments in which these networks are deployed return the mission of network maintenance very complicated or even impossible; hence, the necessity of integrating mechanisms of self-correction which aim to overcome the appeared problems without a human intervention. In this context, we focused our study on the techniques and mechanisms implemented to improve the property of fault tolerance in the wireless sensor networks. First, we proposed centralized and distributed approaches for the connectivity restoration and the channel reallocation in a multi-channel communication context after the failure of a critical node. After the formulation of the problem as a multi-objective optimization problem, we proposed some algorithms based on the heuristics of graphs coloring and Steiner tree, very known in the graph theory to solve this type of problems. In a second part in this thesis, we studied a particular application case, precision agriculture, and we proposed a distributed solution for the failure recovery in wireless sensor networks