La plupart des réseaux de capteurs sans fill d’aujourd’hui fonctionne sur le protocole CSMA/CA. Fournir la qualité de service (QdS) dans un tel réseau est un problème difficile compte tenu de la dynamique du réseau et des contraintes en termes de ressources (énergie et mémoire). Dans cette thèse, sans changer le socle commun du CSMA/CA, nous avons proposé des mécanismes auto-adaptatifs qui permettent de gérer la QdS "best-effort" pour des applications nécessitant de la différenciation de services. Trois mécanismes sont proposés : CoSenS pour "Collecting then Sending burst Scheme", P-CoSenS qui a joute la gestion de priorités à CoSenS, et S-CoSenS qui a joute la dimension énergie à CoSenS. La dynamique du réseau est prise en compte grâce à l’auto-adaptation de périodes de collecte et de transmission en rafale. Il est à souligner que le mécanisme CoSenS permet non seulement d’améliorer les performances de CSMA/CA mais aussi de surmonter la difficulté d’ordonnancer les trafics entrant dans un nœud (routeur) car chaque paquet entrant est immédiatement retransmis vers la sortie. En effet, grâce à la pério de de collecte, les paquets entrants sont mis en file d’attente, rendant ainsi possible d’ordonnancer différemment les paquets selon leur priorité (P-CoSenS). Enfin, le compromis énergie/performance est pris en compte dans S-CoSenS. Selon l’état de l’environnement surveillé, le réseau peut se trouver dans une période où circule un trafic non urgent et souvent faible pendant laquelle il est judicieux de minimiser la consommation d’énergie et une pério de de trafic important pendant laquelle le réseau doit transporter des données urgentes pour suivre une situation alarmante de plus près. Comme CoSenS, S-CoSenS permet de s’auto-adapter dynamiquement en fonction de ces situations. L’ensemble de nos propositions est validé par simulations et CoSenS est implémenté sur une plateforme de réseau de capteurs. / Nowadays, most of wireless sensor networks use CSMA/CA protocol. Providing quality of service (QoS) support in such networks is a difficult problem because of the network dynamics and the high constraints in terms of resources like energy and memory. In this thesis and without changing the basic access protocol, CSMA/CA, we developed auto-adaptive mechanisms for best-effort QoS targeted to applications requiring differentiation services. Three mechanisms are proposed; CoSenS for "Collecting then Sending burst Scheme" which enhances the performances of CSMA/CA, P-CoSenS for "Priority CoSenS" which adds priority management to CoSenS and S-CoSenS for "S-CoSenS" which tackles energy efficiency using CoSenS. We emphasize that CoSenS mechanism not only enhances the performance of CSMA/CA in terms of throughput, end-to-end delay and successful transmission rates but enables also the implementation of scheduling policies; since the router collects and queues paquets before retransmitting them, it has a complete knowledge about them and can then schedule them efficiently (P-CoSenS). S-CoSenS tackles the energy/throughput tradeoff. In fact, the state of a network varies according to the monitored environment. The network may be at some times lightly loaded with non urgent traffic and at other times highly loaded with urgent traffic generated by nodes in order to monitor a happening phenomenon more closely and hence take the best decision. In the former case, the network must save energy. In the latter case, it must provide bandwidth. S-CoSenS auto-adapts its sleeping and active periods according the incoming traffic. Our propositions are validated by simulations and CoSenS is implemented on a wireless sensor platform

La technologie des objets mobiles communicants (capteurs, smartphones, PDA, netbooks, etc.) est en plein essor. On peut exploiter l'utilisation de ces objets mobiles communicants dans plusieurs domaines, en particulier dans le domaine médical, pour collecter des informations de santé. Actuellement, la plupart des applications médicales basent leur collecte d'information sur deux approches. La première approche s'appuie sur l'hypothèse d'une connectivité permanente. La collecte de données physiologiques au niveau du centre d'analyse s'effectue en continu et elle permet un traitement en temps réel des informations. Dans la deuxième approche, les données sont stockées sur un dispositif porté par le patient et le traitement des données est donc différé. Dans le cas où les patients sont mobiles, l'hypothèse de connectivité permanente est difficile à réaliser, compte tenu de la portée des dispositifs radio et de leur consommation en énergie. Pour faire face à d'éventuelles ruptures de connectivité, on peut utiliser un mécanisme de communications opportunistes avec des réseaux tolérants les ruptures (DTN). Nous défendons dans cette thèse l'idée qu'il n'est pas indispensable de disposer de moyens de transmission en continu pour assurer le suivi médical d'individus mobiles dans le domaine de la télé-santé, mais qu'au contraire, une approche opportuniste est possible et intéressante : elle peut offrir de bons résultats à faible coût. À l'appui de cette idée, nous avons choisi un scénario de référence, la supervision médicale de l'activité cardiaque de marathoniens, comportant des contraintes de réalisation difficiles. Il s'agissait de réaliser le suivi des électrocardiogrammes des coureurs à partir de capteurs ECG et en faisant appel à plusieurs stations de collecte par transmission sans fil déployées sur le chemin de la course. La première variante de ce système proposait une solution à moindres coûts basée sur le protocole de communication ZigBee. Une deuxième variante, faisait appel à la technologie Wi-Fi ou à des réseaux cellulaires très répandus de nos jours. Un système de collecte et de supervision a été développé, déployé et testé lors d'épreuves sportives. Les résultats de ces expérimentations confirment l'intérêt que peut apporter ce schéma de communication dans la supervision médicale d'individus mobiles, en s'appuyant sur les technologies disponibles. À partir du premier scénario réalisé, plusieurs variantes peuvent être déclinées pour réaliser des applications médicales moins contraignants et plus générales. Ainsi, nous avons pu montrer qu'en exploitant des infrastructures Wi-Fi communautaires il est possible d'effectuer une supervision quotidienne des paramètres cardiaques de patients mobiles. Les différents scénarios explorés ont permis de mieux cerner l'intérêt des communications opportunistes pour des applications liées au suivi médical.

Les réseaux de capteurs sans fil nécessitent des fonctions de calcul et de transmissionradio associées à chaque capteur. Les SoCs RF intégrant ces fonctions doivent avoir uneautonomie la plus grande possible et donc une très faible consommation. Aujourd'hui, leursperformances énergétiques pourraient être fortement améliorées par des systèmes d'alimentationinnovants. En effet, les circuits d'alimentation remplissent leur fonction classique de conversiond'énergie mais aussi des fonctions d'isolation des blocs RF et digitaux. Leurs performancess'évaluent donc en termes d'efficacité énergétique et de réponse transitoire mais aussi d'isolationentre blocs et de réjection de bruit.Ce travail de thèse concerne l'intégration du système de gestion et de distribution del'énergie aux différents blocs RF d'un émetteur/récepteur en élaborant une méthodologie " topdown" pour déterminer la sensibilité de chaque bloc à son alimentation et en construisant unearchitecture innovante et dynamique de gestion/distribution de l'énergie sur le SoC. Cetteméthodologie repose sur la disponibilité de régulateurs de tension présentant des performancesadaptées. Un deuxième volet du travail de thèse a donc été de réaliser un régulateur linéaire detype LDO à forte réjection sur une bande passante relativement large et bien adapté àl'alimentation de blocs RF très sensibles aux bruits de l'alimentation.

Grâce aux avancées conjointes des systèmes microélectroniques, des technologies sans fil et de la microélectronique embarquée, les réseaux de capteurs sans fil (RCsF) ont récemment pu voir le jour. Très sophistiqués et en interaction directe avec leur environnement, ces systèmes informatiques et électroniques communiquent principalement à travers des réseaux radio qui en font des objets communicants autonomes. Ils offrent l'opportunité de prendre en compte les évolutions temporelles et spatiales du monde physique environnant. Les RCsF se retrouvent donc au cœur de nombreuses applications couvrant des domaines aussi variés que la santé, la domotique, l'intelligence ambiante, les transports, la sécurité, l'agronomie et l'environnement. Ils connaissent un véritable essor et ce dans divers domaines des STIC : hardware, système d'exploitation, conception d'antenne, système d'information, protocoles réseaux, théorie des graphes, algorithmique distribuée, sécurité, etc. L’intérêt des communautés issues de la recherche et de l’industrie pour ces RCsF s’est accru par la potentielle fiabilité, précision, flexibilité, faible coût ainsi que la facilité de déploiement de ces systèmes. La spontanéité, l’adaptabilité du réseau et la dynamicité de sa topologie dans le déploiement des RCsF soulèvent néanmoins de nombreuses questions encore ouvertes. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés aux aspects liés à la problématique du routage dans un RCsF, l’objectif étant de proposer des approches algorithmiques permettant de faire du routage adaptatif multi critères dans un RCsF. Nous nous sommes concentrés sur deux critères principaux : la consommation d’énergie dans les capteurs et le délai d’acheminement des informations collectées par les capteurs. Nous avons proposé ainsi un nouveau protocole de routage, appelé EDEAR (Energy and Delay Efficient Adaptive Routing), qui se base sur un mécanisme d’apprentissage continu et distribué permettant de prendre en compte la dynamicité du réseau. Celui-ci utilise deux types d’agents explorateurs chargés de la collecte de l’information pour la mise à jour des tables de routage. Afin de réduire la consommation d’énergie et la surcharge du réseau, nous proposons également un processus d’exploration des routes basé sur une diffusion optimisée des messages de contrôle. Le protocole EDEAR calcule les routes qui minimisent simultanément l’énergie consommée et le délai d’acheminement des informations de bout en bout permettant ainsi de maximiser la durée de vie du réseau. L’apprentissage se faisant de manière continue, le routage se fait donc de façon évolutive et permet ainsi une réactivité aux différents évènements qui peuvent intervenir sur le réseau. Le protocole proposé est validé et comparé aux approches traditionnelles, son efficacité au niveau du routage adaptatif est mise particulièrement en évidence aussi bien dans le cas de capteurs fixes que de capteurs mobiles. En effet, celui-ci permet une meilleure prise en compte de l'état du réseau contrairement aux approches classiques / Through the joint advanced microelectronic systems, wireless technologies and embedded microelectronics, wireless sensor networks have recently been possible. Given the convergence of communications and the emergence of ubiquitous networks, sensor networks can be used in several applications and have a great impact on our everyday life. There is currently a real interest of research in wireless sensor networks; however, most of the existing routing protocols propose an optimization of energy consumption without taking into account other metrics of quality of service. In this thesis, we propose an adaptive routing protocol called "EDEAR" which takes into account both necessary criteria to the context of communications in sensor networks, which are energy and delay of data delivery. We are looking the routes for optimizing a nodes’ lifetime in the network, these paths are based on joint optimization of energy consumption and delay through a multi criteria cost function. The proposed algorithm is based on the use of the dynamic state-dependent policies which is implemented with a bio-inspired approach based on iterative trial/error paradigm. Our proposal is considered as a hybrid protocol: it combines on demand searching routes concept and proactive exploration concept. It uses also a multipoint relay mechanism for energy consumption in order to reduce the overhead generated by the exploration packets. Numerical results obtained with NS simulator for different static and mobility scenario show the efficiency of the adaptive approaches compared to traditional approaches and proves that such adaptive algorithms are very useful in tracking a phenomenon that evolves over time

Les réseaux de capteurs sans fil nécessitent des fonctions de calcul et de transmissionradio associées à chaque capteur. Les SoCs RF intégrant ces fonctions doivent avoir uneautonomie la plus grande possible et donc une très faible consommation. Aujourd'hui, leursperformances énergétiques pourraient être fortement améliorées par des systèmes d'alimentationinnovants. En effet, les circuits d'alimentation remplissent leur fonction classique de conversiond'énergie mais aussi des fonctions d'isolation des blocs RF et digitaux. Leurs performancess'évaluent donc en termes d'efficacité énergétique et de réponse transitoire mais aussi d'isolationentre blocs et de réjection de bruit.Ce travail de thèse concerne l'intégration du système de gestion et de distribution del’énergie aux différents blocs RF d’un émetteur/récepteur en élaborant une méthodologie « topdown» pour déterminer la sensibilité de chaque bloc à son alimentation et en construisant unearchitecture innovante et dynamique de gestion/distribution de l'énergie sur le SoC. Cetteméthodologie repose sur la disponibilité de régulateurs de tension présentant des performancesadaptées. Un deuxième volet du travail de thèse a donc été de réaliser un régulateur linéaire detype LDO à forte réjection sur une bande passante relativement large et bien adapté àl'alimentation de blocs RF très sensibles aux bruits de l'alimentation. / Wireless sensor networks require calculation functions and radiofrequencytransmission modules within each sensor. RF SoCs integrating these functions must have thebiggest battery life and so a very small consumption. Today, innovative power managementsystems could highly enhance the energy performances of this type of RF SoC. Indeed, thesepower systems perform energy conversion and also the isolation functions of RF and digitalblocks. Their features are thus estimated in terms of energy efficiency, transient response and alsoisolation between blocks and noise rejection.This thesis work concerns the integration of the power management systems and itsdistribution channels into different ultra-low-power SoCs. This was achieved mainly thanks to thedevelopment of a new “top-down” approach. This new methodology consists of determining thesensibility of every block to its power supply and of designing an innovative and dynamicarchitecture of power management circuits on the SoC. This study ends up in the implementationof a very efficient low dropout (LDO) regulator for noise-sensitive low-current RF blocks inmixed SoC applications. The fabricated prototype achieves a high power supply rejection for awide range of frequencies.

Les applications multimédias, dans les réseaux de capteurs sans fil, véhiculent des données volumineuses, qui nécessitent un taux de transmission élevé et un traitement intensif et par conséquent une consommation d'énergie importante. Transmettre efficacement ces flux hétérogènes, tout en assurant leur fiabilité et garantir les exigences de QoS, avec les ressources limitées disponibles, en particulier dans les contextes critiques, demeure un verrou scientifique ouvert. C’est pourquoi, dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés aux aspects liés : au routage, à la tolérance aux pannes et à la gestion des interférences dans les RCMSF.Compte tenu, du très faible nombre de protocoles de routage, qui ont approché la phase expérimentale et encore moins ceux qui l’ont abordé pendant la transmission des données en temps réel, nous avons développé dans ce contexte, un protocole routage géographique baptisé GNMFT (Geographic Non-interfering Multipath Fault-tolerant),En premier lieu, nous avons amélioré le mode de sélection des nœuds, utilisé par le transfert glouton, pour faire face au problème du Minimum-local, où une fonction objective multicritères (distance, énergie et puissance de réception) relative au choix du prochain saut a été définie. Puis, nous avons introduit une phase d’optimisation des chemins construits afin d’éliminer les boucles et une approche adaptative gérant les transmissions simultanées des différents trafics.Par la suite, nous nous sommes orientés vers la tolérance aux pannes, pour assurer la fiabilité des données transmises ainsi que la connectivité du réseau. A cet effet, nous avons modélisé le nombre des paquets perdus durant la livraison des paquets et proposé deux mécanismes : un curatif pour réparer les défaillances soudaines et un préventif afin d’anticiper l’épuisement des batteries. Les deux mécanismes sont combinés avec une stratégie de basculement dynamique lors de la construction des chemins alternatives.En dernier lieu, nous avons présenté un modèle d’interférence et un troisième mécanisme qui limite les interactions entre les liens adjacents. De plus, nous avons défini également un modèle de perte de chemins dans un environnement multi-paires (source,sink) et nous avons calculé le coefficient de probabilité d’erreurs basée sur une fonction de distance qui sépare les flux de données. Une nouvelle métrique a été ajouté dans la fonction objective, relative à la somme des bruits des nœuds actifs qui interférent sur les nœuds du ForwardingSet du nœud courant.Les résultats obtenus montrent l’efficacité des approches proposées qui ont été étudiées et validées à la fois par simulation et sur un banc d’essai expérimental. / Multimedia applications in WSNs convey large data (image, audio and video) that requires high transmission rate and intensive treatment and therefore high energy consumption. Effectively transmit these heterogeneous flows, while ensuring their reliability and guaranteeing QoS requirements, with the limited resources available, especially in critical contexts, remains an open scientific problem. That is why, in this thesis, we are interested in aspects related to : routing, fault tolerance and interference management in WMSNs.Given the very low number of routing protocols, that have approached the experimental phase and still less those who approached it during data transmission in real time, we developed in this context, a geographic routing protocol baptised GNMF (Geographic Non-interfering Multipath Fault-tolerant),First, we improved node's selection mode used by the greedy-forwarding, to deal with local minimum problem, where a multi-criteria objective function (distance, energy and reception power) related to next-hop choice has been defined. Then, we introduced an optimization phase of built paths to eliminate loops and an adaptive approach to manage simultaneous traffic transmissions.After that, we oriented towards fault tolerance, to ensure transmitted data reliability and network connectivity. To this end, we modeled the number of lost packets during package delivery and proposed two mechanisms. The curative is used when sudden failures occurs and the preventive to anticipate batteries depletion. Both are combined with a dynamic failover strategy during alternative paths construction.Finally, we presented an interference model and a third mechanism that limits interactions between adjacent links. In addition, we also defined a path loss model in a multipairs environment (source, sink) and computed the error probability coefficient based on a distance function that separates the data flows. A new metric has been added in the objective function, related to noise sum of the active nodes that interferes on forwarding set nodes of the current node.Obtained results show the effectiveness of the proposed approaches that have been studied and validated both by simulation and on an experimental testbed.

Dans un avion, un hélicoptère ou un lanceur actuel, des milliers de capteurs, pour la plupart non critiques sont utilisés pour la mesure de divers paramètres (températures, pressions, positions...) Les résultats sont ensuite acheminés par des fils vers les calculateurs de bord qui les traitent. Ceci implique la mise en place de centaines de kilomètres de câbles (500 km pour un avion de ligne) dont le volume est considérable. Il en résulte une grande complexité de conception et de fabrication, des problèmes de fiabilité, notamment au niveau des connexions, et une masse importante. Par ailleurs l'instrumentation de certaines zones est impossible car leur câblage est difficilement envisageable par manque d'espace. En outre, s'il est souvent intéressant d'installer de nouveaux capteurs pour faire évoluer un aéronef ancien, l'installation des câbles nécessaires implique un démantèlement partiel, problématique et coûteux, de l'appareil. Pour résoudre ces problèmes, une idée innovante a émergé chez les industriels de l'aéronautique : commencer à remplacer les réseaux filaires reliant les capteurs d'un aéronef et leur centre de décision par des réseaux sans fil. Les technologies de communication sans fil sont aujourd'hui largement utilisées dans les marchés de l'électronique de grande consommation. Elles commencent également à être déployées pour des applications industrielles comme l'automobile ou le relevé à distance de compteurs domestiques. Cependant, remplacer des câbles par des ondes représente un défi technologique considérable comme la propagation en milieu confiné, la sécurité, la sureté de fonctionnement, la fiabilité ou la compatibilité électromagnétique. Cette thèse est motivée d'une part par l'avancée non négligeable dans le milieu aérospatial que pourrait être l'établissement d'un réseau sans fil à bord d'aéronefs dans la résolution de problématique classiques comme l'allégement et l'instrumentation. Il en résulterait donc : * Une meilleure connaissance de l'environnement et de la santé de l'aéronef * Un gain sur le poids. * Un gain en flexibilité. * Un gain en malléabilité et en évolutivité. * Un gain sur la complexité. * Un gain sur la fiabilité D'autre part, étant donnée la complexité de la conception de ce réseau de capteur sans fil, il a été nécessaire d'appliquer une méthodologie évolutive et adaptée mais inspirée de l'ingénierie système. Il est envisageable, vu le nombre de sous-systèmes à considérer, que cette méthodologie soit réutilisable pour d'autre cas pratiques. Une étude aussi complète que possible a été réalisée autour de l'existant déjà établi sur le sujet. En effet, on peut en lisant ce mémoire de thèse avoir une idée assez précise de ce qui a été fait. Une liste a été dressée de toutes les technologies sans fil en indiquant leur état de maturité, leurs avantages et leurs inconvénients afin de préciser les choix possibles et les raisons de ces choix. Des projets de capteurs sans fil ont été réalisés, des technologies sans fil performantes et personnalisables ont été développées et arrivent à maturité dans des secteurs variés tels que la domotique, la santé, l'automobile ou même l'aéronautique. Cependant aucun capteur sans fil n'a été véritablement installé en milieu aérospatial car de nombreux verrous technologiques n'ont pas été levés. Fort des expériences passées, et de la maturité qu'ont prise certaines technologies, des conclusions ont été tirées des projets antérieurs afin de tendre vers des solutions plus viables. Une fois identifiés, les verrous technologiques ont été isolés. Une personnalisation de notre solution a été à envisager afin de remédier tant que faire se peut à ces points bloquants avec les moyens mis à disposition. La méthodologie appliquée nous a permis d'identifier un maximum de contraintes, besoins et exigences pour mieux focaliser les efforts d'innovation sur les plus importantes et choisir ainsi les technologies les plus indiquées.