L'Ultra Large Bande est une technique de transmission radio qui consiste à utiliser des signaux dont le spectre s'étale sur une large bande de fréquences, typiquement de l'ordre de 500 MHz à plusieurs GHz. Elle fut d'abord utilisée pour des applications radars puis transposée aux applications de télécommunications, suscitant ainsi un intérêt grandissant au sein de la communauté académique et industrielle. Les principales caractéristiques de cette technologie lui confèrent le statut d'un candidat prometteur pour les systèmes de communications radio haut-débit à courte portée. Cette thèse poursuit un objectif double. Le premier consiste à améliorer l'analyse de performances des antennes ULB et à en proposer de nouvelles structures soit pour la mesure de canal, soit pour les communications. Dans cet objectif, des descripteurs temporels particulièrement pertinents pour le mode impulsionnel sont introduits et appliqués aux antennes réalisées. Le deuxième objectif de cette thèse est de caractériser les réseaux ULB corporels. Dans ce contexte, la question de l'interaction antenne ULB/corps s'est naturellement posée. De nombreuses simulations et mesures sur des personnes volontaires ont permis d'étudier cette question. Une campagne extensive de mesures du canal ULB sur le corps a été ensuite réalisée, ce qui a permis de proposer un modèle statistique capable de reproduire les effets de ce canal de manière réaliste, en configuration statique.

Les réseaux à l'origine métropolitains, ont connu une tendance à rétrécir pour aujourd'hui se concentrer autour de l'être humain. Avec des équipements de plus en plus miniatures et les utilisateurs désireux de disposer en permanence des services qui leur sont accessibles à domicile, le réseau est envisagé plus petit, plus proche du corps. On assiste alors à l'émergence du réseau corporel, le Body Area Network (BAN), qui est constitué d'éléments situés sur le corps, à l'intérieur ou encore à une courte distance. Ce réseau à portée du corps génère de nouvelles problématiques, notamment celles de la puissance rayonnée par les équipements, leur taille, leur poids...Les applications et usages envisagés pour un tel réseau sont variés et couvrent plusieurs domaines d'activités, en l'occurrence le secteur du médical, du sport, et le multimédia. Ce réseau doit donc reposer sur une couche physique qui s'adapte aux contraintes de ces diverses applications, tout en favorisant des équipements de faible taille, faible complexité et de forte autonomie. La technologie Ultra Large Bande impulsionnelle (UWB-IR) est porteuse de nombreuses promesses pour satisfaire en partie les besoins des réseaux BAN, car autorisant des débits aussi bien réduits qu'élevés, et les architectures d'émission et réception utilisables pour cette technologie rendent possibles des équipements à faible complexité et faible coût, et dont la consommation énergétique est réduite.Ce travail de thèse a débuté alors qu'un processus de normalisation sur les BAN était en cours. L'objectif des travaux menés était de pouvoir contribuer en partie à ce processus de normalisation par la proposition d'une couche physique basée sur la radio impulsionnelle UWB (UWB-IR). Ainsi notre étude a porté sur le paramétrage de cette couche physique à partir de l'analyse des contraintes et requis techniques d'un réseau BAN. Les performances de cette couche physique ont ensuite été évaluées dans un contexte de canal UWB BAN et suivant le type d'architecture en réception, en particulier pour le récepteur non-cohérent. Enfin, une attention a été apportée sur la robustesse de la liaison en présence d'interférences bande étroite. Dans l'ensemble, ce travail a permis d'étudier et d'évaluer la pertinence d'une couche physique UWB-IR dans le contexte du réseau BAN

Les réseaux à l'origine métropolitains, ont connu une tendance à rétrécir pour aujourd'hui se concentrer autour de l'être humain. Avec des équipements de plus en plus miniatures et les utilisateurs désireux de disposer en permanence des services qui leur sont accessibles à domicile, le réseau est envisagé plus petit, plus proche du corps. On assiste alors à l'émergence du réseau corporel, le Body Area Network (BAN), qui est constitué d'éléments situés sur le corps, à l'intérieur ou encore à une courte distance. Ce réseau à portée du corps génère de nouvelles problématiques, notamment celles de la puissance rayonnée par les équipements, leur taille, leur poids...Les applications et usages envisagés pour un tel réseau sont variés et couvrent plusieurs domaines d'activités, en l'occurrence le secteur du médical, du sport, et le multimédia. Ce réseau doit donc reposer sur une couche physique qui s'adapte aux contraintes de ces diverses applications, tout en favorisant des équipements de faible taille, faible complexité et de forte autonomie. La technologie Ultra Large Bande impulsionnelle (UWB-IR) est porteuse de nombreuses promesses pour satisfaire en partie les besoins des réseaux BAN, car autorisant des débits aussi bien réduits qu'élevés, et les architectures d'émission et réception utilisables pour cette technologie rendent possibles des équipements à faible complexité et faible coût, et dont la consommation énergétique est réduite.Ce travail de thèse a débuté alors qu'un processus de normalisation sur les BAN était en cours. L'objectif des travaux menés était de pouvoir contribuer en partie à ce processus de normalisation par la proposition d'une couche physique basée sur la radio impulsionnelle UWB (UWB-IR). Ainsi notre étude a porté sur le paramétrage de cette couche physique à partir de l'analyse des contraintes et requis techniques d'un réseau BAN. Les performances de cette couche physique ont ensuite été évaluées dans un contexte de canal UWB BAN et suivant le type d'architecture en réception, en particulier pour le récepteur non-cohérent. Enfin, une attention a été apportée sur la robustesse de la liaison en présence d'interférences bande étroite. Dans l'ensemble, ce travail a permis d'étudier et d'évaluer la pertinence d'une couche physique UWB-IR dans le contexte du réseau BAN / Absence de résumé en anglais

Les réseaux corporels (WBAN) se réfère aux réseaux de capteurs (WSN) "portables" utilisés pour collecter des données personnelles, telles que la fréquence cardiaque ou l'activité humaine. Cette thèse a pour objectif de proposer des algorithmes coopératifs (PHY/MAC) pour effectuer des applications de localisation, tels que la capture de mouvement et la navigation de groupe. Pour cela, nous exploitons les avantages du WBAN avec différentes topologies et différents types de liens: on-body à l'échelle du corps, body-to-body entre les utilisateurs et off-body par rapport à l'infrastructure. La transmission repose sur une radio impulsionnelle (IR-UWB), afin d'obtenir des mesures de distance précises, basées sur l’estimation du temps d'arrivée (TOA). Ainsi, on s’intéresse au problème du positionnement à travers de la conception de stratégies coopératives et en considérant la mobilité du corps et les variations canal. Notre première contribution consiste en la création d'une base de données obtenue avec de scénarios réalistes pour la modélisation de la mobilité et du canal. Ensuite, nous introduisons un simulateur capable d'exploiter nos mesures pour la conception de protocoles. Grâce à ces outils, nous étudions d’abord l'impact de la mobilité et des variations de canal sur l'estimation de la distance avec le protocole "three way-ranging" (3-WR). Ainsi, nous quantifions et comparons l'erreur avec des modèles statistiques. Dans un second temps, nous analysons différentes algorithmes de gestion de ressources pour réduire l'impact de la mobilité sur l'estimation de position. Ensuite, nous proposons une optimisation avec un filtre de Kalman étendu (EKF) pour réduire l'erreur. Enfin, nous proposons un algorithme coopératif basé sur l'analyse d’estimateurs de qualité de lien (LQEs) pour améliorer la fiabilité. Pour cela, nous évaluons le taux de succès de positionnement en utilisant trois modèles de canaux (empirique, simulé et expérimental) avec un algorithme (basé sur la théorie des jeux) pour le choix des ancres virtuelles. / Wireless Body Area Networks (WBAN) refers to the family of “wearable” wireless sensor networks (WSN) used to collect personal data, such as human activity, heart rate, sleep sequences or geographical position. This thesis aims at proposing cooperative algorithms and cross-layer mechanisms with WBAN to perform large-scale individual motion capture and coordinated group navigation applications. For this purpose, we exploit the advantages of jointly cooperative and heterogeneous WBAN under full/half-mesh topologies for localization purposes, from on-body links at the body scale, body-to-body links between mobile users of a group and off-body links with respect to the environment and the infrastructure. The wireless transmission relies on an impulse radio Ultra-Wideband (IR-UWB) radio (based on the IEEE 802.15.6 standard), in order to obtain accurate peer-to-peer ranging measurements based on Time of Arrival (ToA) estimates. Thus, we address the problem of positioning and ranging estimation through the design of cross-layer strategies by considering realistic body mobility and channel variations. Our first contribution consists in the creation of an unprecedented WBAN measurement database obtained with real experimental scenarios for mobility and channel modelling. Then, we introduce a discrete-event (WSNet) and deterministic (PyLayers) co-simulator tool able to exploit our measurement database to help us on the design and validation of cooperative algorithms. Using these tools, we investigate the impact of nodes mobility and channel variations on the ranging estimation. In particular, we study the “three-way ranging” (3-WR) protocol and we observed that the delays of 3-WR packets have an impact on the distances estimated in function of the speed of nodes. Then, we quantify and compare the error with statistical models and we show that the error generated by the channel is bigger than the mobility error. In a second time, we extend our study for the position estimation. Thus, we analyze different strategies at MAC layer through scheduling and slot allocation algorithms to reduce the impact of mobility. Then, we propose to optimize our positioning algorithm with an extended Kalman filter (EKF), by using our scheduling strategies and the statistical models of mobility and channel errors. Finally, we propose a distributed-cooperative algorithm based on the analysis of long-term and short-term link quality estimators (LQEs) to improve the reliability of positioning. To do so, we evaluate the positioning success rate under three different channel models (empirical, simulated and experimental) along with a conditional algorithm (based on game theory) for virtual anchor choice. We show that our algorithm improve the number of positions estimated for the nodes with the worst localization performance.

Motivés par la demande croissante de services de santé améliorés et à distance, qui tend à augmenter notamment avec une population de plus en plus âgée, et la réduction du coût de l'utilisation des infrastructures réseaux, afin d'assurer des applications de santé temps-réel et à faible débit de données, les réseaux de capteurs médicaux sans fil (WBANs) forment encore un domaine de recherche en forte croissance, notamment avec le développement de WBANs coopératifs. Dans ce contexte, en utilisant les utilisateurs du réseau eux-mêmes en tant que relais on pourrait étendre les infrastructures réseaux existantes, tout en améliorant la capacité du réseau et optimisant l'utilisation du spectre radio. Ainsi, les opérateurs réseaux, qui planifient déjà pour l'intégration de l'internet des objets (IoT) et l'informatique en nuage (cloud), devraient aussi penser à créer un nouveau type de réseau ad hoc mobile, où les utilisateurs du réseau sont utilisés comme des stations de base ad hoc simplifiées, afin de partager l'information en temps-réel entre des personnes colocalisées portant des capteurs corporels. Ce nouveau type de réseau est appelé réseau corporel sans fil (BBN: Body-to-Body Network). Dans un BBN, un appareil radio, collecte les données des nœuds capteurs attachés ou portés par une personne, et les transmet à un appareil récepteur situé sur une autre personne du voisinage, afin d'être traitées ou retransmises à d'autres utilisateurs du BBN. le BBN peut trouver des applications dans divers domaines tels que la santé, les sports d'équipe, le militaire, les divertissements, ainsi que des expériences passionnantes des réseaux sociaux. Fonctionnant dans la bande Industrielle, Scientifique et Médicale (ISM), les liaisons de communication dans un BBN seront très sensibles aux interférences entre les différentes technologies qui partagent le spectre radio limité. Ainsi, l'interférence entre ces technologies devient une préoccupation importante pour la conception de protocoles pour l'utilisateur final du BBN. À ce jour, très peu d'études existent, qui effectuent une analyse en profondeur de ce type de scénario implicant le corps humain dans des communications radio. Le problème d'interférence dans un tel système distribué, doit être abordé avec des mécanismes distribués, tels que la théorie des jeux. Les décideurs dans le jeu sont soit les WBANs formant le BBN ou les opérateurs de réseaux qui contrôlent les dispositifs de communication inter-WBAN. Ces dispositifs doivent faire face à des ressources de transmission limitées (bande ISM) ce qui donne lieu à des conflits d'intérêts. Cette thèse vise à explorer les opportunités pour permettre des communications inter-WBANs en assurant le partage du spectre radio par le biais de deux approches. D'abord, l'atténuation des interférences mutuelles et croisées, et par la conception d'un protocole de routage spécifique BBN utilisé dans une application de contrôle de l'expansion d'une épidémie dans les zones de rassemblement de masse, tels que les aéroports. Dans un premier volet, une approche basée sur la théorie des jeux est proposée pour résoudre le problème d'interférence distribué dans les BBNs. Le jeu d'atténuation des interférences socialement conscient des intérêts de la collectivité (SIM) a une double tâche: à l'échelle WBAN, il alloue des canaux ZigBee aux capteurs corporels pour la collecte intra-WBAN des données, et à l'échelle BBN, il alloue les canaux WiFi aux appareils mobiles pour la transmission et le relais des données inter-WBANs. Deux algorithmes, BR-SIM et SORT-SIM, ont été développés pour rechercher les points d'équilibre de Nash du jeu SIM. Le premier (BR-SIM) assure les solutions de meilleure réponse (Best-response) tandis que le second (SORT-SIM) tente d'obtenir un compromis entre des solutions quasi-optimales et un temps de convergence réduit. (...) / Motivated by the rising demand for remote and improved healthcare, while decreasing the cost of using network infrastructures to ensure time and data rate-constrained applications, Wireless Body Area Networks (WBANs) still form a strongly growing research field. Besides, engineers and researchers are investigating new solutions to supplement mobile communications through developing opportunities for cooperative WBANs. In this context, using network users themselves as relays could complement and extend existing infrastructure networks, while improving network capacity and promoting radio spectrum usage. Yet, network operators, that are already planning for the Internet of Things (IoT) and cloud computing technologies integration, should also think about this new possibility of creating a new type of mobile ad hoc network, where network users themselves are used as simplified ad hoc base stations, to fulfill the desire of sharing real-time information between colocated persons carrying body sensors. This emerging type of network is called Body-to-Body Network (BBN). In a BBN, a radio device situated on one person gathers the sensor data from the sensor nodes worn by that person, and transmit them to a transceiver situated on another person in the nearby area, in order to be processed or relayed to other BBN users. BBNs can find applications in a range of areas such as healthcare, team sports, military, entertainment, as well as exciting social networking experiences. Operating in the popular Industrial, Scientific and Medical (ISM) band, the communication links in a BBN will be heavily susceptible to interference between the different radio technologies sharing the limited radio spectrum. Thus, inter-body interference become an important concern for protocol design and quality of service for the BBN end user. Yet, higher layer MAC and networking mechanisms need to be in place to overcome this interference problem. To date, very few studies, that perform in-depth analysis of this type of body-centric scenario, exist. The interference problem in such distributed system, should be tackeled with distributed mechanisms, such as Game Theory. The decision makers in the game are either the WBANs/people forming the BBN or the network operators who control the inter-WBAN communicating devices. These devices have to cope with a limited transmission resource (ISM band) that gives rise to a conflict of interests. This thesis aims at exploring the opportunities to enable inter-WBAN communications by ensuring feasible sharing of the radio spectrum through two challenging research issues. First, mutual and cross-technology interference mitigation, and second, the design of a BBN specific routing protocol applied to an epidemic control application within mass gathering areas, such as the airport, as use case in this thesis. In a first phase, a game theoretical approach is proposed to resolve the distributed interference problem in BBNs. The Socially-aware Interference Mitigation (SIM) game performs twofold: at the WBAN stage, it allocates ZigBee channels to body sensors for intra-WBAN data sensing, and at the BBN stage, it allocates WiFi channels to mobile devices for inter-WBAN data transmitting and relaying. Two algorithms, BR-SIM and SORT-SIM, were developed to search for Nash equilibra to the SIM game. The first (BR-SIM) ensures best response solutions while the second (SORT-SIM) attempts to achieve tradeoff between sub-optimal solutions and short convergence time. Then, in order to highlight the social role of BBNs, the second part of this thesis is devoted to propose an epidemic control application tailored to BBNs, in indoor environment. This application implements a geographic routing protocol, that differentiates WBANs traffic and ensures real-time quarantine strategies. (...)