Les réseaux de capteurs sans fil (RCSFs) déterminent un axe de recherche en plein essor, puisqu’ils sont utilisés aujourd’hui dans de nombreuses applications qui diffèrent par leurs objectifs et leurs contraintes individuelles.Toutefois, le dénominateur commun de toutes les applications de réseaux de capteurs reste la vulnérabilité des nœuds capteurs en raison de leurs caractéristiques et aussi de la nature des données générées.En effet, les RCSFs génèrent une grande masse de données en continue à des vitesses élevées, hétérogènes et provenant d’emplacements répartis. Par ailleurs, la nécessité de traiter et d’extraire des connaissances à partir de ces grandes quantités de données nous ont motivé à explorer l’une des techniques conçues pour traiter efficacement ces ensembles de données et fournir leurs modèles de représentation. Cependant, parmi les techniques utilisées pour la gestion des données, nous pouvons utiliser les techniques de Data mining. Néanmoins, ces méthodes ne sont pas directement applicables aux RCSFs à cause des contraintes des noeuds capteurs. Il faut donc répondre à un double objectif : l’efficacité d’une solution tout en offrant une bonne adaptation des méthodes de Data mining classiques pour l’analyse de grosses masses de données des RCSFs en prenant en compte les contraintes des noeuds capteurs, et aussi l’extraction du maximum de connaissances afin de prendre des décisions meilleures. Les contributions de cette thèse portent principalement sur l’étude de plusieurs algorithmes distribués qui répondent à la nature des données et aux contraintes de ressources des noeuds capteurs en se basant sur les techniques de Data mining. Chaque noeud favorise un traitement local des techniques de Data mining et ensuite échange ses informations avec ses voisins, pour parvenir à un consensus sur un modèle global. Les différents résultats obtenus montrent que les approches proposées réduisent considérablement la consommation d’énergie et les coûts de consommation, ce qui étend la durée de vie du réseau.Les résultats obtenus indiquent aussi que les approches proposées sont extrêmement efficaces en termes de calcul du modèle, de latence, de réduction de la taille des données, d’adaptabilité et de détection des événements. / Recently, Wireless Sensor Networks (WSNs) have emerged as one of the most exciting fields. However, the common challenge of all sensor network applications remains the vulnerability of sensor nodes due to their characteristics and also the nature of the data generated which are of large volume, heterogeneous, and distributed. On the other hand, the need to process and extract knowledge from these large quantities of data motivated us to explore Data mining techniques and develop new approaches to improve the detection accuracy, the quality of information, the reduction of data size, and the extraction of knowledge from WSN datasets to help decision making. However, the classical Data mining methods are not directly applicable to WSNs due to their constraints.It is therefore necessary to satisfy the following objectives: an efficient solution offering a good adaptation of Data mining methods to the analysis of huge and continuously arriving data from WSNs, by taking into account the constraints of the sensor nodes which allows to extract knowledge in order to make better decisions. The contributions of this thesis focus mainly on the study of several distributed algorithms which can deal with the nature of sensed data and the resource constraints of sensor nodes based on the Data mining algorithms by first using the local computation at each node and then exchange messages with its neighbors, in order to reach consensus on a global model. The different results obtained show that the proposed approaches reduce the energy consumption and the communication cost considerably which extends the network lifetime.The results also indicate that the proposed approaches are extremely efficient in terms of model computation, latency, reduction of data size, adaptability, and event detection.

Les réseaux de capteurs sans fil (WSN) jouent un rôle important dans des applications telles que la surveillance de l'environnement, le suivi de sources et le suivi médical, ...etc. Dans les WSN, les capteurs ont la capacité d'effectuer l'échantillonnage des données, des calculs distribués et de fusionner des données. Pour effectuer ces tâches complexes, la synchronisation des horloges et la localisation sont fondamentales et essentielles. Les WSN ont été largement étudiés ces dernières années et la littérature scientifique rapporte de nombreux résultats qui les rendent applicables pour de nombreuses applications. Pour d'autres, la recherche doit encore trouver des solutions à certains des défis posés par la limitation énergétique, la dynamicité et la faible puissance de calcul. Dans le but de contribuer à la recherche sur les WSN, cette thèse propose de nouveaux algorithmes pour la synchronisation d'horloge et la localisation. La synchronisation d'horloge est nécessaire afin que les effectuent de manière efficace la fusion de données. En appliquant l'algorithme de synchronisation d'horloge, les capteurs établissent un consensus temporel et travaillent donc au même rythme. Compte tenu de la dynamicité, des faibles capacités de calcul et de la parcimonie des WSN, un nouvel algorithme de synchronisation décentralisée à impulsions couplées est proposé pour améliorer la précision de la synchronisation. L'avantage de ce type d'algorithme est que les capteurs échangent des impulsions au lieu de paquets, de sorte que non seulement la communication est efficace, mais aussi robuste à toute défaillance des capteurs dans le réseau. La localisation de capteurs a été largement étudiée dans la littérature scientifique. Cependant, la qualité et la précision de la localisation peuvent encore être améliore. Cette thèse applique l'algorithme LSCR (Régression de régions corrélées à signes dominants) au problème de localisation. Avec LSCR, on évalue des régions de confiance avec des niveaux de confiance prescrits, qui fournissent non seulement on emplacement mais aussi la confiance en cet emplacement. Dans cette thèse, plusieurs approches de localisation sont implémentées et comparées. Le résultat de la simulation montre que, sous hypothèses modérées, LSCR obtient des résultats compétitifs par rapport à d'autres méthodes. / Wireless sensor networks (WSNs) play an important role in applications such as environmental monitoring, source tracking, and health care,... In WSN, sensors have the ability to perform data sampling, distributed computing and information fusion. To perform such complex tasks, clock synchronization and localization are two fundamental and essential algorithms. WSNs have been widely studied in the past years, and the scientific literature reports many outcomes that make them applicable for some applications. For some others, research still needs to find solutions to some of the challenges posed by battery limitation, dynamicity, and low computing clock rate. With the aim of contributing to the research on WSN, this thesis proposes new algorithms for both clock synchronization and localization. For clock synchronization, sensors converge their local physical clock to perform data fusion. By applying the clock synchronization algorithm, sensors converge the time difference and therefore work at the same rate. In view of dynamicity, low computing and sparsity of WSN, a new pulse-coupled decentralized synchronization algorithm is proposed to improve the precision of the synchronization. The benefit of this kind of algorithm is that sensors only exchange zero-bit pulse instead of packets, so not only the communication is efficient but also robust to any failure of the sensors in the network. Localization of sensors has been widely studied. However, the quality and the accuracy of the localization still have a large room to improve. This thesis apply Leave-out Sign-dominant Correlated Regions (LSCR) algorithm to localization problem. With LSCR, one evaluates the accurate estimates of confidence regions with prescribed confidence levels, which provide not only the location but also the confidence of the estimation. In this thesis, several localization approaches are implemented and compared. The simulation result shows under mild assumptions, LSCR obtains competitive results compared to other methods.

Les Réseaux de Capteurs Sans Fils (RCSFs) ont pris beaucoup d'importance dans plusieurs domaines tels que l'industrie, l'armée, la pollution atmosphérique etc. Les capteurs sont alimentés par des batteries qui ne sont pas faciles à remplacer surtout dans les environnements peu accessibles. L'énergie de chaque capteur est considérée comme la source première d'augmentation de la durée de vie des RCSFs. Puisque la transmission de données est plus coûteuse en consommation d'énergie, notre préoccupation première est de proposer une technique efficace de transmission des données de tous les capteurs vers le sink tout en réduisant la consommation en énergie. Nous suggérons trois trois algorithmes d'agrégation de données basé sur la construction d'arbres : Depth-First Search Aggregation (DFSA), Flooding Aggregation (FA) et Well-Connected Dominating Set Aggregation (WCDSA) qui permettront de réduire le nombre de transmissions de chaque capteur vers le sink. L'agrégation des données basée sur la construction d'arbres souffre du délai de délivrance de données parce que les parents doivent attendre de recevoir les données de leurs feuilles. Certains parents pourraient avoir beaucoup de feuilles, et il serait alors assez coûteux pour un parent de stocker toutes les données entrantes dans sa mémoire. Ainsi, nous devons déterminer le temps que chaque parent doit mettre pour agréger et traiter les données de ses feuilles. Nous proposons un algorithme, Efficient Tree-based Aggregation and Processing Time (ETAPT) qui utilise la métrique Appropriate Data Aggregation and Processing Time (ADAPT). Etant donné la durée maximale acceptable, l'algorithme ETAPT prend en compte la position des parents, le nombre de feuilles et la profondeur de l'arbre pour calculer l'ADAPT optimal. A n'importe quel moment pendant l'agrégation des données par les parents, il peut arriver que la quantité de données collectées soit très grande et dépasse la quantité de stockage maximale de données que peut contenir leurs mémoires. Nous proposons l'introduction dans le réseau de plusieurs collecteurs de données appelés Mini-Sinks (MSs). Ces MSs sont mobiles et se déplacent selon un modèle de mobilité aléatoire dans le réseau pour maintenir la connexité afin d'assurer la collecte contrôlée des données basée sur le protocole de routage Mulipath Energy Conserving Routing Protocol (MECRP). Les capteurs peuvent être équipés de plusieurs interfaces radios partageant un seul canal sans fil avec lequel ils peuvent communiquer avec plusieurs voisins. La transmission des données à travers une liaison de communication entre deux parents peut interférer avec les transmissions d'autres liaisons si elles transmettent à travers le même canal. Nous avons besoin de savoir quel canal utiliser en présence de plusieurs canaux pour une transmission donnée. Nous proposons une méthode distribuée appelée: Well Connected Dominating Set Channel Assignement (WCDS-CA), pour calculer le nombre de canaux qui seront alloués à tous les capteurs de telle sorte que les capteurs adjacents se voient attribués des canaux différents / Wireless Sensor Networks (WSNs) have gained much attention in a large range of technical fields such as industrial, military, environmental monitoring etc. Sensors are powered by batteries, which are not easy to replace in harsh environments. The energy stored by each sensor is the greatest impediment for increasing WSN lifetime. Since data transmission consumes more energy, our major concern is how to efficiently transmit the data from all sensors towards a sink. We suggest three tree-based data aggregation algorithms: Depth-First Search Aggregation (DFSA), Flooding Aggregation (FA) and Well-Connected Dominating Set Aggregation (WCDSA) to reduce the number of transmissions from each sensor towards the sink. Tree-based data aggregation suffers from increased data delivery time because the parents must wait for the data from their leaves. Some parents might have many leaves, making it very expensive for a parent to store all incoming data in its buffer. We need to determine the aggregation time each parent in the tree has to spend in aggregating and processing the data from its leaves. We propose an Efficient Tree-based Aggregation and Processing Time (ETAPT) algorithm using Appropriate Data Aggregation and Processing Time (ADAPT) metric. Given the maximum acceptable latency, ETAPT's algorithm takes into account the position of parents, their number of leaves and the depth of the tree, in order to compute an optimal ADAPT time. At any time, the amount of data aggregated by parents may become greater than the amount of data that can be forwarded. We propose the introduction into the network of many data aggregators called Mini-Sinks (MSs). MSs are mobile and move according to a random mobility model inside the sensor field to maintain the fully-connected network in order to aggregate the data based on the controlled Multipath Energy Conserving Routing Protocol (MECRP). Sensors may use many radio interfaces sharing a single wireless channel, which they may use to communicate with several neighbours. Two sensors operating on the same wireless channel may interfere with each other during the transmission of data. We need to know which channel to use in the presence of multiple channels for a given transmission. We propose a distributed Well-Connected Dominating Set Channel Assignment (WCDS-CA) approach, in which the number of channels that are needed over all sensor nodes in the network in such a way that adjacent sensor nodes are assigned to distinct channels.

Du fait d'une demande croissante du marché concernant les réseaux de capteurs sans-fil, le développement de nouvelles solutions radio devient nécessaire afin de répondre aux contraintes de coût, de consommation, de débits et de durée de vie de ces domaines d'applications émergents.<br />Associée à ce contexte applicatif, cette thèse propose dans un premier temps une présentation des fondamentaux de la technologie Ultra Large Bande (ULB) suivie par un statut sur la réglementation mondiale et le standard IEEE 802.15.4a ; un cahier des charges d'un émetteur impulsionnel est ainsi établi. Confronté à un état de l'art des générateurs d'impulsions, il met en lumière la nécessité de développer de nouveaux émetteurs, ce que nous proposons à travers une architecture basée autour d'un DAC RF différentiel fonctionnant à 4GHz. Un principe novateur de génération de bursts compatibles avec le standard IEEE 802.15.4a est ensuite développé ; il permet de réduire la complexité globale de l'émetteur. Dans un second temps, l'architecture proposée est dimensionnée au niveau de ses blocs numériques et RFs puis son implémentation est effectuée dans la technologie ST CMOS 65nm. Le principe fonctionnel de l'architecture du générateur est validé par la mesure du circuit qui affiche une efficacité de 38pJ par impulsion pour une fréquence de répétition de 500MHz et une puissance moyenne de sortie de 0dBm.

Les réseaux de capteurs sans fil sont maintenant un moyen crédible de collecte de données sur les cultures. L'installation d'une structure de communication fixe pour relayer les données surveillées depuis la tête de grappe jusqu'à sa destination finale peut être soit impraticable en raison de la topologie du terrain, soit prohibitive en raison du coût initial élevé. Une solution plausible consiste à utiliser des véhicules aériens sans pilote (UAV) comme moyen alternatif de collecte de données et de contrôle de supervision limité de l'état des détecteurs. Dans cet article, nous considérons le cas des parcelles agricoles disjointes comprenant chacune des grappes de capteurs, organisées de manière prédéterminée en fonction des objectifs d'élevage. Cette recherche vise à trouver une solution optimale pour la recherche de UAV et la collecte de données à partir de tous les capteurs installés dans un champ de culture. En outre, le protocole de routage des capteurs tiendra compte d'un compromis entre la gestion de l'énergie et les frais généraux de diffusion des données. Le système proposé est évalué en utilisant un modèle simulé et il devrait trouver une classe parmi toutes les sous-considérations. / Wireless sensor networks are now a credible means for crop data collection. The installation of a fixed communication structure to relay the monitored data from the cluster head to its final destination can either be impractical because of land topology or prohibitive due to high initial cost. A plausible solution is to use Unmanned Aerial Vehicles (UAV) as an alternative means for both data collection and limited supervisory control of sensors status. In this paper, we consider the case of disjoint farming parcels each including clusters of sensors, organized in a predetermined way according to farming objectives. This research focuses to drive an optimal solution for UAV search and data gathering from all sensors installed in a crop field. Furthermore, the sensor routing protocol will take into account a tradeoff between energy management and data dissemination overhead.The proposed system is evaluated by using a simulated model and it should find out a class among all under consideration.

Dans cette thèse, nous avons envisagé l’utilisation des codes en métrique rang pour des applications de communication sans fil en général, et les réseaux de capteurs en particulier. Après avoir introduit les codes en métrique rang, ces codes, qui ont été proposés dans le contexte de la cryptographie, sont adaptés par la suite pour la correction d’erreurs. Pour cela, une étude est faite sur le comportement de ces familles de codes dans un scénario de transmission sans fil en utilisant le codage réseau. Dans ce contexte, trois types d’erreurs sont considérés : le bruit de fond, les erreurs injectés dans le réseau par un utilisateur malveillant et les effacements qui peuvent être dus aux pannes des nœuds. L’analyse qui a été faite sur la famille des codes Low Rank Parity Check (LRPC) a montré que ces derniers sont plus adaptés aux réseaux de capteurs sans fil par rapport aux codes Gabidulin utilisés dans la littérature. Cette analyse a été généralisée dans le contexte multi-sources et a montré que les codes LRPC sont plus efficaces dans ce contexte. Ces contributions apportent un nouveau souffle à l’utilisation des codes en métrique rang et offrent des perspectives de poursuite intéressantes. / In this thesis, we have considered the rank metric codes for wireless sensor networks. Firstly, we have introduced the rank metric codes. Then, we adapted these codes, which were originally dedicated to cryptography applications, for error correction. To this end, we have studied the behavior of the family of rank metric codes in a wireless communication scenario using network coding. In this context, three types of errors are considered, background noise, errors injected into the network by a malicious user and erasures caused by node failures. Our analysis of the Low Rank Parity Check codes (LRPC) has shown that they are more suited to wireless sensor networks and they perform better than Gabidulin codes used in the literature. This analysis has been generalized in the multisource context and has shown that LRPC codes are more efficient in this context compared to Gabidulin codes. These contributions give a new incentive for the use of rank metric codes and offer interesting perspectives.

La surveillance étroite d’un grand équipement physique mobile sur une trajectoire unique connue est susceptible d’avoir des applications concrètes importantes pour la sécurité des utilisateurs et de l’équipement lui-même, pour sa maintenance et pour l’optimisation du service rendu. Cette surveillance nécessite d’instrumenter l’équipement. Cette instrumentation à l’aide d’un réseau de capteurs pris sur étagère constitue l’application de l’étude menée dans cette thèse. Les problématiques de recherche concernent trois domaines : la topologie des réseaux de capteurs mobiles, le routage et la localisation. Elles sont situées par rapport à l’état de l’art. Puis une étude approfondie de l’architecture du réseau pour sur un système physique parcourant une trajectoire circulaire a été menée. La grande roue de Singapour (Singapore Flyer) est utilisée comme système type. Deux sortes de topologie ont été étudiées : une dans laquelle la liaison système mobile – partie fixe au sol est située au niveau du ou des capteurs, l’autre pour laquelle la liaison système mobile - partie fixe au sol est située au niveau du puits. Les meilleurs placements des relais ont été proposés ainsi que des algorithmes de routage géographique adaptés à chaque cas. Les performances du réseau sont mesurées par simulation. Elles montrent un bon fonctionnement pour des phénomènes dynamiques assez rapides et permettent de comparer les architectures entre-elles. Enfin une expérimentation de localisation des nœuds à base de RSSI a été menée sur un site industriel / The close supervision of a large physical equipment moving on a single known trajectory is likely to have important practical applications for the safety of users and the equipment itself, for maintenance and optimization of the provided service. This requires deploying monitoring instruments on equipment. This instrumentation using a sensor network taken off the shelf is the application of the study conducted in this thesis. The research problems address three areas: the topology of mobile sensor networks, routing and localization. They are situated in relation to the state of the art. Then a detailed study of the network architecture for a physical system moving on a circular path was conducted. Giant observation wheel of Singapore (Singapore Flyer) is used as a type system. Two kinds of topology were considered: one in which the connection mobile system - fixed part at the ground is located at sensor interface, one for which the link mobile system - fixed part at the ground is located at sink interface. The best placements of the relays have been proposed as well as geographic routing algorithms adapted to each case. The network performance is measured by simulation. The results show a correct working for fairly rapid dynamic phenomena and allow to compare architectures with each other. Finally an experiment of node localization based on RSSI was conducted on an industrial site

Le présent rapport fournit plusieurs extensions des protocoles de réseau ad hoc et leurs évaluations, qui permettent d'augmenter la performance, de dimensionner la taille des réseaux et d'intégrer les réseaux ad hoc dans l'Internet : Premièrement, ce rapport présente plusieurs outils de logiciel qui permettent d'étudier des protocoles de routage sans modifications, implémentés en Java, dans le simulator de réseaux NS2. Deuxièmement, ce rapport fournit une discussion architecturale des réseaux ad hoc, qui explique les problèmes de la configuration automatique des adresses IP (nommé autoconfiguration) des routeurs ad hoc. Ensuite, le rapport présente un modèle architectural pour des réseaux ad hoc qui est compatible avec l'Internet. Un protocole d'autoconfiguration, basé sur le modèle architectural proposé, est spécifié, et ses propriétés sont formellement vérifiées au moyen de Model Checking. Troisièmement, plusieurs extensions du protocole de routage des réseaux ad hoc OLSRv2 sont présentées : La performance du protocole est augmentée d'ordre de grandeur en utilisant un algorithme dynamique pour calculer les plus courts chemins. Une autre optimisation proposée est un framework basé sur SNMP pour gérer et contrôler des objets liés à la performance sur des routeurs tournant OLSRv2. Une extension d'OLSRv2 est présentée dans laquelle des paquets sont retransmis ultérieurement lorsque les destinations sont indisponibles temporairement, au lieu de les rejeter. Cette extension mène à un taux de remis considérablement plus élevé que OLSRv2 par défaut dans certains scenarios. Ce rapport présente alors une analyse des menaces de sécurité pour OLSRv2, suivie par la spécification d'un mécanisme de contrôle d'accès pour OLSRv2, qui empêche nombre de ces attaques. Quatrièmement, ce rapport explore le dimensionnement des réseaux de capteurs sans fil, et évalue un protocole de routage des réseaux de capteurs, nommé RPL, spécifié par l'IETF en 2011. En outre, étant donné que RPL ne contient pas de mécanisme de broadcast efficace, plusieurs mécanismes de broadcast optimisés dans RPL sont présentés et comparés.

Mes travaux se situent dans les thématiques de la modélisation et de l'optimisation des systèmes de communication sans fil utilisés notamment dans les applications domotiques. Dans ce domaine, la communication par impulsion radio Ultra Large Bande (UWB-IR) est considérée comme une solution d'implémentation prometteuse, notamment pour les réseaux de capteurs, les applications de détection et de localisation. L'UWB offre un potentiel important aussi bien en termes de coût d'implémentation et de la faible consommation d'énergie que de sa bonne résolution temporelle et sa capacité de coexister avec les systèmes à bande étroite. Cependant, le processus de synchronisation constitue encore un verrou important qui doit être levé, pour permettre aux systèmes de transmission UWB d'atteindre un niveau de qualité (en terme BER) désiré. L'objectif de cette thèse est de développer des méthodes de contrôle de synchronisation permettant d'optimiser la qualité de transmission des signaux ULB. Il s'agit d'étudier la possibilité d'augmenter la précision de synchronisation dans la partie poursuite.

Les progrès technologiques permettent aujourd'hui l'intégration à bas coût d'objets multi-capteurs hétérogènes communicants sans fil notamment pour la surveillance dans les environnements considérés à risques ou non accessibles. Le but de ces travaux de thèse est de contribuer à la sécurisation des personnes et de leur environnement de vie par la mise en réseau de dispositifs multi-capteurs de mesures sans fil. Ceux-ci doivent être spécifiés et configurés pour rendre par exemple l'environnement qu'ils surveillent intelligent et sécurisé. Le travail effectué porte sur la conception et le prototypage réel d'un réseau composé de dispositifs hétérogènes autonomes en énergie. Nos contributions comportent trois volets essentiels : Le premier volet concerne la conception d'un modèle de réseau ambiant adapté : nous avons proposé un modèle qui repose sur une architecture multi-niveaux caractérisée par des nœuds hétérogènes dont le captage (détection), le traitement et le stockage des données sont distribués par niveau. Cette architecture hiérarchique offre plusieurs avantages par rapport aux architectures linéaires classiques en termes d'évolutivité, de faible coût, de meilleure couverture, de hautes fonctionnalités et de fiabilité. Nous avons défini le comportement adapté pour chaque nœud dans le modèle et montré l'avantage de la solution par la simulation. Le deuxième volet concerne la proposition originale d'un protocole d'accès au médium efficace en énergie nommé " T-TMAC " et adapté à l'application, permettant d'organiser les échanges des messages dans l'architecture du réseau retenu. L'originalité du protocole est qu'il est composé de mécanismes de maintenance performants permettant la gestion de la mobilité et la reconfiguration du réseau (ajout et suppression d'un capteur). Pour cela, une adaptation et un paramétrage du standard IEEE 802.15.4 sont proposés. Le dernier volet présente l'évaluation et l'analyse de performances du protocole développé dans le cadre de scé narios de tests. Nous avons étudié en particulier l'impact de la taille des données et la périodicité de transfert sur l'énergie et le délai. Le protocole est validé à l'aide d'un modèle analytique dont les résultats ont été comparés à ceux obtenus par prototypage matériel.