Les progrès technologiques réalisés ces dernières années ont permis le développement de nouveaux types de capteurs dotés de moyens de communication sans fil, peu onéreux et pouvant être configurés pour former des réseaux autonomes. Les domaines d'application sont nombreux : domotique, santé, domaine militaire ou bien encore surveillance de phénomènes environnementaux. Les limites imposées sont la limitation des capacités de traitement, de stockage et surtout d'énergie. La liberté laissée à l'implantation est forte et impose de concevoir complètement l'infrastructure, les mécanismes et les protocoles en fonction de l'application visée. Dans cette thèse, nous nous sommes tout d'abord focalisés sur des réseaux de petites tailles. Nous avons conçu une solution protocolaire "Placide" pour le suivi de la chaîne du froid proposée dans le cadre du projet ANR-CAPTEURS. L'originalité première de la solution repose sur l'absence d'infrastructure et de Station de Base. Elle est composée de protocoles performants fondés sur la formation d'un anneau virtuel entre les noeuds, auto-organisants et très économes en énergie. Le second axe est dédié à une étude expérimentale de la qualité du lien.L'objectif est double. Nous souhaitions tout d'abord étayer certaines hypothèses effectuées dans la première partie du travail. Il s'agissait ensuite de proposer des protocoles et des algorithmes fondés sur la qualité du lien. Nous nous sommes focalisés sur la variation de la qualité du lien en fonction de la distance entre les noeuds et de la puissance de transmission. Par la suite, l'impact de la qualité du lien sur la topologie du réseau a été étudiée. Les retours d'expérience sont importants quant à la compréhension des facteurs affectant la durée de vie du réseau. La dernière contribution concerne l'exploitation de ces observations en proposant des stratégies de partage decharge. Notre idée est que des protocoles très réduits et des mécanismes simples peuvent être mis en oeuvre pour le routage. Nous illustrons ces principes au travers d'exemples pour lesquels nous montrons la supériorité de ces solutions par rapport à des routages de type plus court chemin. / Technological advances during the last few years allowed the development of new and cheap sensors equiped with wireless communication which can be configured to form autonomous networks. The application areas for wireless sensor networks (WSN) are various: home automations, health care services, military domain, and environment monitoring. The imposed constraints are limited capacity of processing, storage, and especially energy. In addition, implementing WSN solutions is highly open and requires that the infrastructure, the mechanisms and the protocols should be completely designed based on each specific application.In this thesis, we first focused on small networks. We designed « Placide », a protocol stack solution for cold chain monitoring proposed within the ANR-CAPTEURS project. The first originality of this solution is based on the absence of infrastructure and base stations. « Placide » is composed of self-organizing and energy-efficient protocols based on a virtual ring construction between nodes. The second topic is devoted to an experimental study on Link Quality Indicator (LQI). There are two main objectives. Firstly, we want to endorse our precise assumptions of the first part of the work. Secondly, our poposed link quality based protocols and algorithms willbe described. We focused on LQI variations according to distance between nodes and transmission power.Thereafter, the impact of LQI on the network topology has been studied. Feedbacks are important to understand which factors affect the network lifetime. The last contribution relates to the use of these observations by proposing load balancing strategies. Our idea is that very reduced protocols and simple mechanisms can be used in routing protocols. We illustrate these principles through simple examples where we show the superiority of these solutions compared to standard routing like shortest path for example.

On assiste ces dernières années à une explosion des usages dans l’Internet des objets. La démocratisation de ce monde de capteurs est le fruit, d’une part de la baisse drastique des coûts dans l’informatique embarquée, d’autre part d’un support logiciel toujours plus mature. Que ce soit au niveau des protocoles et des réseaux (CoAP, IPv6, etc) ou de la standardisation des supports de développement, notamment sur microprocesseurs ATMEL, les outils à disposition permettent chaque jour une plus grande homogénéisation dans la communication entre des capteurs toujours plus variés. Cette diversification rassemble chaque jour des utilisateurs aux attentes et aux domaines de compétence différents, avec chacun leur propre compréhension des objets connectés. La complexification des réseaux de capteurs, confrontée à cette nécessité d’adresser des usages fondamentalement différents, pose problème. Sur la base d’un même réseau de capteurs hétéroclite, il est crucial de pouvoir répondre aux besoins de chacun des utilisateurs, sans réclamer d’eux une maîtrise du réseau de capteurs dépassant exagérément leur domaine de compétence. L’outil décrit dans ce document se propose d’adresser cette problématique au travers d’un moteur de requête dédié au traitement des données issus des capteurs. Pour ce faire, il repose sur une modélisation des capteurs au sein de différents contextes, chacun à même de répondre à un besoin utilisateur précis. Sur la base de ce modèle est mis à disposition un langage dédié pour le traitement des événements complexes issus des données mesurées par les capteurs. L’implémentation de cet outil permet en outre d’interagir avec d’éventuelles fonctionnalités d’actuation du réseau de capteurs. / Usages of the internet of things experience an exponential growth these last few years. As a matter of fact, this is the result of, on one hand the significantly lowercosts in embedded computing systems, on the other hand the maturing of the software layers. From protocols and networks (CoAP, IPv6, etc) to standardization of ATMEL microcontrollers, tools at hand allow a better communication between more and more various sensors. This diversification gather every day users with different needs, expectations and fields of expertise, each one of them having his own approch, his own understanding of the connected things. The main issue concerns the complexity of the sensor networks, with regard to this necessity to address deeply different usages. Based on a single heterogeneous sensor network, it is critical to be able to meet the needs of each user, without having them to master the network beyond their own field of expertise. The tool described in this document aims at addressing this issue via a query engine dedicated to the processing of data collected from the sensors. Towards this end, it relies on a modelling of the sensors within several contexts, each of them reflecting a specific usage. On this basis a domain-specific language is provided, allowing complex event processing over the data monitored by the sensors. Furthermore, the implementation of this tool allows to interact with optional actuation functionalities of the sensor network.

Au cours de cette thèse, nous avons abordé des problématiques liées à l’optimisation de déploiement et la localisation de cible dans les réseaux de capteurs. Nous avons tout d'abord proposé un premier modèle pour l’optimisation de deux objectifs contradictoires : le nombre de capteurs déployés ainsi que la précision de la localisation. Quatre algorithmes multi-objectifs classiques ont été implémentés, et des versions hybrides ont également été proposées.Une variante du précédent problème est également étudiée, dédiée aux applications de localisation indoor. Les algorithmes proposés pour le premier problème n'ont montré qu'une efficacité relative au cours des premières expérimentations. Une nouvelle heuristique est alors développée, et les résultats ont montré de très bonnes performances sur les instances de taille réduite, ainsi que de bien meilleures performances que les autres algorithmes implémentés sur des instances de grande taille.Enfin, la notion de connectivité et de couverture est également traitée et intégrée dans un modèle linéaire de déploiement. Un algorithme Branch and Bound a été développé afin de traiter ce problème, puis des tests ont été effectués afin de le comparer aux solveurs linéaires actuels / In this thesis, a joint approach for deployment optimization and target tracking in sensor networks is developed. First, we have proposed a linear model to minimize the number of deployed sensors and maximize the accuracy of the localization. We have also implemented several multi-objective methods and proposed hybridization for some of them.We have also proposed a modification of the previous model, taking into account the indoor localization constraints. Two methods of the previous problem have been used, and a specific heuristic has been developed.Finally, two linear models taking into account coverage and connectivity have been proposed. A Branch and Bound algorithm has also been developed, considering a geometric lower bound and two properties to reduce the number of fathomed nodes

L'utilisation des canaux multiples améliore significativement les performances globales des réseaux de capteurs sans fil (RCSF) en permettant des transmissions parallèles sur plusieurs canaux. Cependant, la mise en place d’un protocole MAC multi-canal dans un réseau multisauts nécessite une méthode efficace d’allocation des canaux pour permettre une coordination entre les nœuds afin de partager les canaux disponibles. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la conception d’un protocole MAC multi-canal qui répond aux exigences des applications de collecte de données à haut débit dans un réseau multi-saut. Pour ce faire, nous abordons d’abord les principales façons d’utiliser plusieurs canaux pour réaliser le partage du médium. Ensuite, nous proposons un protocole MAC multi-canal, répondant aux exigences des RCSF à haut débit, qui combine les trois techniques TDMA, CSMA et FDMA. En effet, nous utilisons une nouvelle méthode d’allocation des canaux qui permet aux nœuds de choisir le canal de réception le plus convenable dans leurs voisinages jusqu’à 3-sauts d’une façon distribuée afin de minimiser les effets des interférences et des collisions. Enfin, nous évaluons par simulation les performances de notre protocole et nous le comparons à d’autres protocoles proposés dans la littérature. Les résultats obtenus montrent l’efficacité de notre proposition dans les différents scénarios étudiés. / The use of multi-channel significantly improves the overall network performance of wireless sensor networks (WSNs) by allowing parallel transmissions over multiple channels. However, the design of a multi-channel MAC protocol in a multi-hop network requires an efficient channel allocation method that allows the coordination between the nodes in order to share available channels. In this thesis, we focus on the conception of a multi-channel MAC protocol that meets the requirements of high data collection applications in a multi-hop network. In order to achieve this goal, we first present the main techniques to use multiple channels to realize medium access sharing. Then, we propose a multi-channel MAC protocol that meets the requirements of high data rate WSNs, which combines three techniques TDMA, FDMA and CSMA. Indeed, we use a new channel assignment method that enables nodes to choose the most convenient channel in their 3-hop neighborhood in a distributed manner in order to minimize the effects of interferences and collisions. Finally, we evaluate by simulation the performance of our protocol and we compare it to other protocols proposed in the literature. The results show the efficiency of our proposition in the different studied scenarios.

Les réseaux centrés contenus (ICN) sont considérés comme une solution aux nouveaux défis et modes de communication liés à l'émergence de l'Internet des Objets (IoT). Pour confirmer cette hypothèse, la problématique fondamentale du routage sur les réseaux ICN-IoT doit être abordée. Cette thèse traite de ce sujet à travers l'architecture IoT.Premièrement, une méthode sécurisée est introduite pour acheminer des paquets ICN à partir de coordonnées géographiques dans un réseau sans-fil de capteurs à faible puissance. Elle est comparée à une inondation optimisée du réseau inspirée des approches existant dans la littérature. En particulier, leur faisabilité et passage à l'échelle sont évalués via un modèle mathématique. Le modèle est paramétré grâce à des données réalistes issues de simulation, de la littérature, et d'expériences sur des capteurs. Il est montré que le routage géographique permet de diviser la mémoire nécessaire sur les capteurs par deux et de réduire considérablement le coût énergétique du routage, en particulier pour des topologies dynamiques.Ensuite, ICN est utilisé pour contrôler l'admission à une plate-forme de calcul de type Fog afin de garantir le temps de réponse. La stratégie de contrôle d'admission proposée, le LRU-AC, utilise l'algorithme Least-Recently-Used (LRU) pour apprendre en direct la distribution de popularité des requêtes. Son efficacité est démontrée grâce à un modèle fondé sur un réseau de files d'attente. Une implémentation du LRU-AC est proposé, utilisant des filtres de Bloom pour satisfaire aux contraintes des cartes FPGA. Son bien-fondé est prouvé par un modèle mathématique et son efficacité en termes de latence et débit démontrée.Enfin, on présente vICN, un outil pour la gestion et la virtualisation de réseaux ICN-IoT. Il s'agit d'une plate-forme qui unifie la configuration et la gestion des réseaux et des applications en exploitant les progrès des techniques d'isolation et de virtualisation. vICN est flexible, passe à l'échelle, et peut remplir différents buts : expériences à grande échelle reproductibles pour la recherche, démonstrations mélangeant machines émulées et physiques, et déploiements réels des technologies ICN dans les réseaux IP existants. / As the Internet of Things (IoT) has brought upon new communication patterns and challenges, Information-Centric Networking (ICN) has been touted as a potential solution. To confirm that hypothesis, the fundamental issue of routing and forwarding in the ICN-IoT must be addressed. This thesis investigates this topic across the IoT architecture.First, a scheme to securely forward ICN interests packets based on geographic coordinates is proposed for low-power wireless sensor networks (WSN). Its efficiency is compared to an optimized flooding-based scheme similar to current ICN-WSN approaches in terms of deployability and scalability using an analytical model. Realistic data for the model is derived from a mixture of simulation, literature study, and experiments on state-of-the-art sensor boards. Geographic forwarding is shown to halve the memory footprint of the ICN stack on reference deployments and to yield significant energy savings, especially for dynamic topologies. Second, ICN is used to enhance admission control (AC) to fixed-capacity Edge-computing platforms to guarantee request-completion time for latency-constrained applications. The LRU-AC, a request-aware AC strategy based on online learning of the request popularity distribution through a Least-Recently-Used (LRU) filter, is proposed. Using a queueing model, the LRU-AC is shown to decrease the number of requests that must be offloaded to the Cloud. An implementation of the LRU-AC on FPGA hardware is then proposed, using Ageing Bloom Filters (ABF) to provide a compact memory representation. The validity of using ABFs for the LRU-AC is proven through analytical modelling. The implementation provides high throughput and low latency.Finally, the management and virtualization of ICN-IoT networks are considered.vICN (virtualized ICN), a unified intent-based framework for network configuration and management that uses recent progress in resource isolation and virtualization techniques is introduced. It offers a single, flexible and scalable platform to serve different purposes, ranging from reproducible large-scale research experimentation to demonstrations with emulated and/or physical devices and network resources and to real deployments of ICN in existing IP networks.

Le cycle de vie d'un réseau de capteurs implique plusieurs étapes, telles que le dimensionnement du réseau, le développement de logiciels embarqués, la réalisation de matériels, des analyses et des simulations, le déploiement physique, l'exploitation des données et la maintenance du réseau. Tout au long de ce cycle, plusieurs outils spécifiques sont utilisés. Il est donc nécessaire de décrire manuellement les caractéristiques du réseau de capteurs dans chacun de ces outils en utilisant leurs propres langages. Il en résulte des coûts de développement importants et éventuellement des incohérences entre les différentes descriptions. Pour répondre à cette problématique, nous proposons une méthodologie basée sur l'approche MDE (Model Driven Engineering). Elle vise à couvrir toutes les étapes du cycle de vie d'un réseau de capteurs. Tous les concepts et les caractéristiques d'un réseau de capteurs sont décrits à l'aide d'un métamodèle. A partir de ce référentiel, il est possible d'extraire, à chaque étape du cycle de vie, une ou plusieurs facettes. Chaque facette est présentée et éditée avec l'outil le plus adéquat en créant des passerelles vers des outils tiers. Afin de mettre en œuvre la méthodologie proposée, un Framework est développé pour offrir un environnement de description multi-facettes : architecture réseau, architecture matérielle, architecture logicielle, flux de données et environnement physique. Un exemple de passerelle entre le Framework et un simulateur existant (Omnet++) a été développé pour estimer les performances des réseaux de capteurs. Le Framework permet la génération automatique des scripts de simulation ainsi que des codes sources pour les nœuds du réseau / The life cycle of a sensor network involves several steps, including network sizing, embedded software development, hardware design, analysis and simulation, physical deployment, data exploitation, and network maintenance. Throughout this cycle, several specific tools are used. It is therefore necessary to manually describe the characteristics of the sensor network in each of these tools using their own languages. This results in significant development costs and potential inconsistencies between the different descriptions. To address this problem, we propose a methodology based on model driven engineering approach. It aims to cover all life cycle steps of a sensor network. All concepts and characteristics of a sensor network are described using a metamodel. From this referential, it is possible to extract, at each step of the life cycle, one or more facets. Each facet is presented and edited with the most appropriate tool by creating gateways to external tools.In order to implement the proposed methodology, a Framework is developed to provide a multi-facets environment: network architecture, hardware architecture, software architecture, data flow and physical environment. An example of a gateway between the Framework and an existing simulator (Omnet++) has been developed to estimate sensor network performances. The Framework allows automatic generation of simulation scripts as well as source codes for network nodes

Les réseaux de capteurs sans fil sont déployés pour assurer la surveillance de phénomènes physiques. La précision de l’information recueillie dépend fortement des positions des capteurs déployés. Ces positions doivent satisfaire les exigences de l’application en termes de couverture et de connectivité. Par conséquent, les algorithmes de déploiement sont nécessaires pour déterminer les positions optimales des capteurs. Cette thèse se concentre sur le déploiement de capteurs sans fil, d’une part lorsque ces noeuds sont capables de se positionner de manière autonome, et d’autre part lorsque leur déploiement est assisté par des robots mobiles. Dans les deux cas, ce déploiement doit, non seulement répondre aux exigences de l’application en termes de couverture et connectivité, mais aussi minimiser le nombre de capteurs nécessaires tout en satisfaisant diverses contraintes (e.g. obstacles, énergie, connectivité tolérant les défaillances). Nous avons proposé des algorithmes de déploiement autonome qui évitent les oscillations des noeuds : ADVFA, GDVFA et OA-DVFA pour surveiller des zones 2D et 3D-DVFA pour surveiller un espace 3D. Lorsque le déploiement est assisté par robots mobiles, nous avons proposé deux approches pour optimiser la durée du déploiement. La première se base sur la théorie de jeux pour optimiser la durée des trajectoires de deux robots (TRDS) et la deuxième se base sur l'optimisation multi-objectifs avec un nombre de robots supérieur ou égale à 2 (MRDS). Les objectifs à satisfaire sont : optimiser la durée de la trajectoire la plus longue, équilibrer les durées des trajectoires des robots et minimiser le nombre de robots utilisés, en évitant les obstacles. / Wireless sensor networks are deployed to monitor physical phenomena. The accuracy of information collected depends on sensor node positions. These positions must meet the application requirements in terms of coverage and connectivity. Therefore, deployment algorithms are necessary to determine the optimal positions of sensor nodes. This thesis focuses on the deployment of wireless sensor nodes, first when these nodes are autonomous, and secondly when they are static and the deployment is assisted by mobile robots. In both cases, this deployment must not only meet the application requirements in terms of coverage and connectivity, but also minimize the number of sensors needed while satisfying various constraints (e.g. obstacles, energy, fault-tolerant connectivity). We proposed autonomous deployment algorithms that avoid node oscillations: ADVFA, GDVFA and OA-DVFA to monitor 2D areas and 3D-DVFA to monitor a 3D space. In case of a deployment assisted by mobile robots, we proposed two approaches to optimize the deployment duration. The first one is based on game theory to optimize the length of the paths of two robots (TRDS) and the second is based on the multi-objective optimization, with a number of robots greater than or equal to 2 (MRDS). The objectives to be met are: optimizing the duration of the longest tour duration, balancing the durations of the robot tours and minimizing the number of robots used, while bypassing obstacles.

Les réseaux de capteurs sont des réseaux particuliers composés d'objets contraints en ressources. Ils possèdent une faible puissance de calcul, une faible puissance de transmission, une faible bande passante, une mémoire de stockage limitée ainsi qu'une batterie à durée de vie limitée. Afin d'intégrer de tels réseaux dans l'internet des objects, de nouveaux protocoles ont été standardisés. Parmi ces protocoles, le protocole RPL (pour Routing Protocol for Low Power and Lossy Networks). Ce protocole est destiné a construire une topologie logique de routage appelée DODAG. Dans cette thèse, nous abordons l'aspect acheminement de données qui considère une topologie de routage arborescente. L'acheminement des données se fait donc de saut en saut d'un enfant à son parent (ou d'un parent à son enfant). Optimiser la construction du DODAG revient donc à construire un arbre couvrant selon une contrainte donnée. Un arbre couvrant est une structure communicante qui permet de maintenir un unique chemin entre toutes paires de noeuds tout en minimisant le nombre de liens de communication utilisés. De plus, nous considérons les contraintes des réseaux de capteurs telles qu'une batterie déchargée et la variabilité du lien radio comme des fautes transitoires. Ceci nous conduit par conséquent à construire une structure couvrante tolérante aux fautes transitoires. L'auto-stabilisation est une branche de l'algorithmique distribuée qui assure qu'à la suite d'une ou de plusieurs fautes transitoires, le système va retrouver de lui-même un comportement correcte au bout d'un temps fini. L'objectif de cette thèse est de proposer des algorithmes auto-stabilisants dédiés aux réseaux de capteurs. / Spanning Trees from theory to practiceSelf-Stabilizing algorithms and sensor networksAbstract : Sensor networks are composed of ressources constrained equipments. They have low computing power, low transmission power, low bandwidth, limited storage memory and limited battery life.In order to integrate such networks in the Internet of things, new protocols were standardized such as RPL protocol (for Routing Protocol for Low Power and Lossy Networks). This protocol is intended to build a logical routing topology called DODAG (for Destination Oriented Directed Acyclic Graph). In this thesis, we discuss the data routing aspect by considering a tree routing topology. Thus, the routing of data is hop by hop from a child to its parent (or from a parent to its child). Optimize the construction of the DODAG is therefore to build a spanning tree in a given constraint. A spanning tree is a connecting structure that maintains a unique path between all pairs of nodes while minimizing the number of used communication links. Furthermore, we consider the constraints of sensor networks, such as a dead battery and the variability of the radio link as transient faults. This leads us to build a covering structure tolerant to transient faults. The self-stabilization is a branch of distributed algorithms that ensures that following one or more transient faults, the system will find itself a correct behavior after a finite time.The objective of this thesis is to propose self-stabilizing algorithms dedicated to sensor networks. The contributions of this thesis are:In the first part of the thesis, we proposed a self-stabilizing algorithm for the construction of a minimum diameter spanning tree.This construction is natural when we want to minimize the communication delay between a root and all other network nodes. Our algorithm has several advantages. First, our algorithm is limited to memory occupation of O(log n) bits per node, reducing the previous result of an n factor while maintaining a polynomial convergence time. Then, our algorithm is the first algorithm for minimum diameter spanning tree that works as an unfair distribution demon. In other words, we make no restriction on the asynchronous network behavior. In the second part of the thesis, we are interested in the unstable topology built by RPL protocol (DODAG). Our solution is to place an additional constraint on the number of children a node can accept during the construction of the DODAG. This constraint has the effect of reducing the rate of parent change and consequently to improve the protocol performance in terms of packet delivery rate, delay of communication and power consumption. In addition, we implemented a mechanism to update the information of the downward routes in RPL. Furthermore, our solution has the advantage of not generating overhead because we use existing control messages provided by RPL to implement it. Finally, this contribution is twofold since we validated our solution both by simulations and experiments.

L'Internet des objets est un domaine en plein essor, qui a reçu une attention considérable à la fois académique et industrielle. En particulier, les réseaux de capteurs sans fil connectent les objets à Internet via une passerelle. Dans ce contexte, les réseaux de capteurs sous-marins sont un axe de recherche très récent qui joue un rôle clé dans plusieurs applications de surveillance, semblant être primordiales envers l’environnement et la santé humaine. Par conséquent, un déploiement judicieux et efficace des réseaux des capteurs sous-marins s’avère crucial. Dans cette thèse, nous abordons la problématique du déploiement 3D des réseaux de capteurs sous-marins dans une rivière caractérisée par l’irrégularité géographique de l’événement à surveiller. Notre application spécifique concerne la surveillance de la qualité de l’eau dans les rivières. L’instabilité de la qualité de l’eau est à l’origine de la répartition non uniforme de la pollution dans l’environnement 3D sous-marin. Dans cette optique, nous étudions séparément le déploiement 3D des réseaux de capteurs sous-marins pour détecter la pollution issue i) d’une substance chimique liquide et ii) d’un contaminant solide. Ces problèmes de déploiement sont NP-difficile et exigent une optimisation combinatoire judicieuse. Afin de surmonter cette complexité, nous proposons plusieurs heuristiques de déploiement et nous abordons le problème en trois étapes. En premier lieu, notre objectif est la génération de la meilleure topologie des stations géographiques de détection afin d’assurer la détection totale de la substance chimique le long de la rivière. Pour cela, nous proposons une première stratégie, BackTracking Field Installation Deployment Algorithm (BT-FIDA), basée sur l’algorithme du Backtracking. Par la suite, nous étudions la meilleure topologie des capteurs chimiques au sein de chaque station de détection. L’objectif est d’assurer une barrière de couverture totale de la substance polluante avec le minimum de coût. La solution est obtenue grâce à notre deuxième proposition, 2D-Underwater Barrier Deployment Algorithm (2D-UBDA), basée sur une optimisation non-linéaire et mixte. Enfin, on s’intéresse à la détection d’un polluant de type solide pour garantir la qualité de surveillance et la connectivité du réseau tout en minimisant le coût de déploiement. Pour cela, nous proposons une nouvelle heuristique de déploiement, 3D-UWSN-Deploy, basée sur la répartition cubique du volume surveillé et l’optimisation linéaire et mixte. Les résultats obtenus confirment une performance satisfaisante de nos algorithmes par rapport à la littérature. / The Internet of Things (IoT) is a booming field that has received considerable attention from both academy and industry. In particular, wireless sensor networks are connecting things to the Internet through a gateway. In this context, Underwater Wireless Sensors Network (UWSN) is a very recent network topic which is playing a key role in several sensing application, seeming to be mandatory towards environment and human health. Thus, suitable deployment of underwater sensors for efficient monitoring is a crucial task. In this thesis, we address the issue of deploying an underwater sensor network in a 3D area characterized by the geographical irregularity of the sensed event. Our specific application context regards the water river monitoring. The irregularity of water quality in river comes from the unsteady repartition of pollution within the 3D water environment. In this context, we separately study the 3D underwater sensor deployment problem to detect water pollution issued from i) chemical liquid and ii) solid wastes. The deployment problems require combinatorial optimization and are NP-hard. To overcome the great complexity involved, we propose several heuristic deployment strategies and we tackle the problem in three stages. In the first stage, our objective is to generate the best deployment of geographical Field Installations (FIs) to ensure the full detection of chemical pollutant along the river. An FI can be seen as a virtual wall able to detect the moving pollutant chemical substance over it. For this, we propose a novel backtracking-based deployment strategy named BackTracking Field Installation Deployment Algorithm (BT-FIDA) which minimizes the number of FIs while ensuring full coverage of the river. In the second stage, we aim to find the best topology of chemical sensors inside an FI in order to form a barrier detection of the polluting substance with the minimum deployment cost. This is performed thanks to our second proposal based on a mixed integer optimization namely 2D Underwater Barrier Deployment Algorithm (2D-UBDA). Finally, in the third stage, we move to the detection of a solid pollutant within an FI. Our objective is to minimize the number of deployed underwater sensors while ensuring i) the required Quality of Monitoring (QoM) (i.e., differentiated probabilistic detection) and ii) wireless network connectivity. To generate the best topology, we propose a novel deployment heuristic, named 3D-UWSN-Deploy, based on a sub-cube tessellation of the monitored FI and a mixed integer linear program optimization. Simulation results show that our contributions outperform the related deployment strategies.

Avec les grands développements des technologies de communication sans fil, les réseaux de capteurs sans fil (WSN) ont attiré beaucoup d’attention dans le monde entier au cours de la dernière décennie. Les réseaux de capteurs sans fil sont maintenant utilisés pour a surveillance sanitaire, la gestion des catastrophes, la défense, les télécommunications, etc. De tels réseaux sont utilisés dans de nombreuses applications industrielles et commerciales comme la surveillance des processus industriels et de l’environnement, etc. Un réseau WSN est une collection de transducteurs spécialisés connus sous le nom de noeuds de capteurs avec une liaison de communication distribuée de manière aléatoire dans tous les emplacements pour surveiller les paramètres. Chaque noeud de capteur est équipé d’un transducteur, d’un processeur de signal, d’une unité d’alimentation et d’un émetteur-récepteur. Les WSN sont maintenant largement utilisés dans l’industrie minière souterraine pour surveiller certains paramètres environnementaux, comme la quantité de gaz, d’eau, la température, l’humidité, le niveau d’oxygène, de poussière, etc. Dans le cas de la surveillance de l’environnement, un WSN peut être remplacé de manière équivalente par un réseau à relais à entrées et sorties multiples (MIMO). Les réseaux de relais multisauts ont attiré un intérêt de recherche important ces derniers temps grâce à leur capacité à augmenter la portée de la couverture. La liaison de communication réseau d’une source vers une destination est mise en oeuvre en utilisant un schéma d’amplification/transmission (AF) ou de décodage/transfert (DF). Le relais AF reçoit des informations du relais précédent et amplifie simplement le signal reçu, puis il le transmet au relais suivant. D’autre part, le relais DF décode d’abord le signal reçu, puis il le transmet au relais suivant au deuxième étage s’il peut parfaitement décoder le signal entrant. En raison de la simplicité analytique, dans cette thèse, nous considérons le schéma de relais AF et les résultats de ce travail peuvent également être développés pour le relais DF. La conception d’un émetteur/récepteur pour le relais MIMO multisauts est très difficile. Car à l’étape de relais L, il y a 2L canaux possibles. Donc, pour un réseau à grande échelle, il n’est pas économique d’envoyer un signal par tous les liens possibles. Au lieu de cela, nous pouvons trouver le meilleur chemin de la source à la destination qui donne le rapport signal sur bruit (SNR) de bout en bout le plus élevé. Nous pouvons minimiser la fonction objectif d’erreur quadratique moyenne (MSE) ou de taux d’erreur binaire (BER) en envoyant le signal utilisant le chemin sélectionné. L’ensemble de relais dans le chemin reste actif et le reste des relais s’éteint, ce qui permet d’économiser de l’énergie afin d’améliorer la durée de vie du réseau. Le meilleur chemin de transmission de signal a été étudié dans la littérature pour un relais MIMO à deux bonds mais est plus complexe pour un ... / With the great developments in wireless communication technologies, Wireless Sensor Networks (WSNs) have gained attention worldwide in the past decade and are now being used in health monitoring, disaster management, defense, telecommunications, etc. Such networks are used in many industrial and consumer applications such as industrial process and environment monitoring, among others. A WSN network is a collection of specialized transducers known as sensor nodes with a communication link distributed randomly in any locations to monitor environmental parameters such as water level, and temperature. Each sensor node is equipped with a transducer, a signal processor, a power unit, and a transceiver. WSNs are now being widely used in the underground mining industry to monitor environmental parameters, including the amount of gas, water, temperature, humidity, oxygen level, dust, etc. The WSN for environment monitoring can be equivalently replaced by a multiple-input multiple-output (MIMO) relay network. Multi-hop relay networks have attracted significant research interest in recent years for their capability in increasing the coverage range. The network communication link from a source to a destination is implemented using the amplify-and-forward (AF) or decode-and-forward (DF) schemes. The AF relay receives information from the previous relay and simply amplifies the received signal and then forwards it to the next relay. On the other hand, the DF relay first decodes the received signal and then forwards it to the next relay in the second stage if it can perfectly decode the incoming signal. For analytical simplicity, in this thesis, we consider the AF relaying scheme and the results of this work can also be developed for the DF relay. The transceiver design for multi-hop MIMO relay is very challenging. This is because at the L-th relay stage, there are 2L possible channels. So, for a large scale network, it is not economical to send the signal through all possible links. Instead, we can find the best path from source-to-destination that gives the highest end-to-end signal-to-noise ratio (SNR). We can minimize the mean square error (MSE) or bit error rate (BER) objective function by sending the signal using the selected path. The set of relay in the path remains active and the rest of the relays are turned off which can save power to enhance network life-time. The best path signal transmission has been carried out in the literature for 2-hop MIMO relay and for multiple relaying it becomes very complex. In the first part of this thesis, we propose an optimal best path finding algorithm at perfect channel state information (CSI). We consider a parallel multi-hop multiple-input multiple-output (MIMO) AF relay system where a linear minimum mean-squared error (MMSE) receiver is used at the destination. We simplify the parallel network into equivalent series multi-hop MIMO relay link using best relaying, where the best relay ...