La conception d'un réseau de capteurs sans fil peut présenter de nombreux défis, tels que le passage à l'echèlle, la fiabilité, la longévité et la communication en temps réel. L'existence de plusieurs points de collecte peut augmenter la fiabilité du réseau et facilite le passage à l'echèlle. Toutefois, cette amélioration dépend de l’approche de routage, qui doit être adaptée pour atteindre les objectifs de performance souhaités.Dans cette optique, l’objectif de ce travail est de trouver des moyens pour optimiser la communication dans les réseaux de capteurs sans fil à multiples points de collecte en tenant compte des problèmes liés au passage à l'echèlle, à la durée de vie du réseau, à la fiabilité (livraison des paquets) et à la minimization de la latence. Nous étudions les point d'équilibre entre le délai et la consommation d'énergie en tant que paramètres clés pour la qualité et l'efficacité de la communication. Pour ce faire, nous proposons différents algorithmes de routage, couvrant les trois principaux schémas de communication (unicast, anycast et multicast).Les simulations effectuées montrent que nos approches sont capables d’optimiser la communication, notamment en termes de latence et de durée de vie du réseau. Des expériences sur la plateforme FIT IoT-Lab fournissent également des indications significatives sur les performances de notre solution multicast dans des conditions réelles. / The conception of a wireless sensor network may present numerous challenges, such as scalability, reliability, longevity and timeliness. The existence of multiple sinks may increase the network reliability and facilitates the scalability. However, this improvement is dependent on the routing approach, that must be tailored to help achieving the desired performance goals.From this perspective, the objective of this work is to find ways of optimizing the communication in multi-sink wireless sensor networks considering the problems related to the scalability, longevity (network lifetime), reliability (packet delivery) and timeliness (latency). We investigate the trades among data delivery time and energy consumption as key metrics for communication quality and efficiency. For that matter, we propose different routing algorithms, covering all three main communciations schemes (unicast, anycast and multicast).The executed simulations show that our approaches are capable of optimizing the communication, especially in terms of latency and network lifetime. Experiments on the FIT IoT-Lab platform also provide meaningful insights of the performance of our multicast solution in real environment condition.

Cette thèse présente nos travaux à la fois théoriques et techniques sur la fourniture de la qualité de service dans les réseaux de capteurs sans fil, travaux développés principalement pour la détection en temps réel d'événements.Le premier problème fondamental pour assurer une qualité de service est la connectivité d'un réseau. La probabilité de non-isolation de noeud est donnée garantissant une borne supérieure de 1-connectivité du réseau. Un deuxième problème traité concerne la considération conjointe du problème de connectivité de communication et de couverture de détection. Ce problème étant formalisé comme un problème d'optimisation multi-objectif, un algorithme heuristique du type génétique a été développé, permettant ainsi d'aider au déploiement. Pour assurer la communication des données en temps réel et de façon fiable, un protocole de routage basé sur SPEED a été développé. Les simulations ont montré une amélioration notable de performances par rapport aux solutions existantes. Afin d'assurer la fiabilité de l'information finale, un ensemble de règles de fusion de décision a été proposé. Quant à son implémentation réelle avec moins de complexité sur des noeuds de ressources limitées, trois alternatives sous-optimales ont été proposées et qui donnent des performances satisfaisantes dans des plages de rapport signal sur bruit / The fundamental theories and key technologies of QoS support for event detection in wireless sensor networks are studied in this dissertation.Firstly, to ensure the quality of connectivity, an explicit expression of node non-isolation probability is derived as the upper bound of one-connectivity. A tight lower bound for the minimum node density is also given for obtaining an almost surely connected network. Secondly, to meet the quality of coverage and connectivity together, a fine deployment strategy is developed. The deployment problem is formulated as a multi-objective optimization problem. Heuristic methods based on tabu search and generic algorithms are proposed. Thirdly, to satisfy real-time and reliable delivery requirement, a two-hop neighborhood information based real-time routing protocol is proposed. The simulations show that the proposed routing protocol has a significant improvement in performance compared to existing solutions. Finally, decision fusion rules under fading channel are investigated to ensure high quality of information. We propose three sub-optimal alternatives to the optimal likelihood ratio rule. They have less computation cost and require less a priori information and perform well in their respective SNR ranges

La surveillance d'entrepôts de produits chimiques est une opération délicate dans le sens où elle passe par une connaissance de la nature de chaque produit stocké, sur leur localisation, sur leur possible interaction et sur les actions à mettre en oeuvre en cas d'alerte. Pour faciliter cette gestion de stockage, cette thèse propose d'utiliser le concept de l'ambiant où le produit possède son propre système d'information et de communication sans fil de façon à le rendre intelligent et autonome. Cette thèse propose et développe un modèle de comportement interne de produit actif permettant une approche distribuée de sécurité active. Celui-ci permet d'aboutir à un protocole de communication de niveau applicatif à embarquer dans les produits actifs. Ce protocole est évalué de façon formelle en utilisant les Réseaux de Petri colorés hiérarchiques. Finalement, ce protocole est implémenté dans le simulateur Castalia/Omnet++ pour l'analyser dans plusieurs scénarii et aussi pour l'éprouver lors du passage à l'échelle. Les résultats montrent l'intérêt et la faisabilité du concept de produit actif / Monitoring of chemical product storage is a delicate operation in the sense that it requires knowledge of the nature of each stored product, their location, their interaction and possible actions to be implemented in case of emergency. To facilitate the storage management, this thesis proposes to use the concept of ambient where the product has its own information system and wireless communication so as to make it intelligent and autonomous. This thesis proposes and develops a model of internal behavior of active product that allows a distributed approach of active security. This can lead to a communication protocol of application level to embed the active products. This protocol is formally assessed using hierarchical colored Petri nets. Finally, this protocol is implemented in the simulator Castalia/Omnet++ to analyze it in several scenarios and also for the experience when going to scale. The results show the usefulness and feasibility of the concept of active product

Cette thèse considère les réseaux de capteurs sans fil (RCSF) de grande dimension (de l'ordre du million de noeuds). Les questions posées sont les suivantes : comment prédire le bon fonctionnement et calculer avant déploiement les performances d'un tel réseau, sachant qu'aucun simulateur ne peut simuler un réseau de plus de 100 000 noeuds ? Comment assurer sa configuration pour garantir performance, passage à l'échelle, robustesse et durabilité ? La solution proposée dans cette thèse s'appuie sur une architecture de RCSF hétérogène à deux niveaux, dont le niveau inférieur est composé de capteurs et le niveau supérieur de collecteurs. La première contribution est un algorithme d'auto-organisation multi-canal qui permet de partitionner le réseau inférieur en plusieurs sous-réseaux disjoints avec un collecteur et un canal de fréquence par sous-réseau tout en respectant le principe de réutilisation de fréquence. La seconde contribution est l'optimisation du déploiement des collecteurs car leur nombre représente celui des sous-réseaux. Les problèmes traités ont été : l'optimisation des emplacements des puits pour un nombre prédéfini de puits et la minimisation du nombre de puits ou du coût pour un nombre prédéfini de sauts dans les sous-réseaux. Une solution intuitive et appropriée pour assurer à la fois performances réseaux et coût, est de partitionner le réseau inférieur en sous-réseaux équilibrés en nombre de sauts. Pour ce faire, la topologie physique des puits est une répartition géographique régulière en grille (carrée, triangulaire, etc.). Des études théoriques et expérimentales par simulation des modèles de topologie montrent, en fonction des besoins applicatifs et physiques, la méthodologie de choix et le calcul des meilleures solutions de déploiement. / This thesis considers the large-scale wireless sensor network (LSWSN) consisting of million nodes. The questions are: how to predict the good working and to compute before deployment the performances of such a network, knowing that no simulator can simulate a network of more than 100000 nodes? How to ensure its configuration to ensure performance, scalability, robustness and longevity? The solution proposed in this thesis is based on a two-tiered heterogeneous architecture of WSN in which the level 1 is composed of sensors and the level 2 of collectors. The first contribution is a multi-channel self-organization algorithm, which allows partitioning the network of level 1 into several disjointed sub-networks with one collector and one frequency channel while respecting the principle of frequency reuse. The second contribution is to optimize the deployment of collectors because their number represents that of sub-networks. The problems addressed were: the optimization of sinks locations for a predetermined number of sinks, and the minimization of financial cost related of the sinks? number, for a predetermined number of hops in the sub-networks. An intuitive and appropriate solution to ensure both network performance and cost is to partition the network of level 1 into balanced sub-networks in number of hops. To do this, the physical topology of sinks is a regular geographical grid (square, triangular, etc.). Theoretical studies and simulation of topology models show, depending on application requirements (node density, charge application, etc.) and physical (radio range, surveillance zone), the methodology of choice and the computation of the best deployment solutions.

Aujourd'hui, la prolifération de matériel peu coûteux tels que les caméras et les microphones capables de capturer du contenu multimédia de façon ubiquitaire a conduit à l'émergence des réseaux de capteurs sans fil multimédia/vidéo (RCSFM /RCSFV). En conséquence, un grand éventail d'applications peuvent être projetées dans de nombreux domaines de la vie de tous les jours. Par rapport aux réseaux de capteurs traditionnels (RCSF), les RCSFVs présentent des défis uniques principalement en raison de la grande quantité de données à capturer et à transmettre au-dessus d'un réseau contraint en ressources. Dans ce travail, nous avons d'abord proposé un protocole de routage hiérarchique appelé ELPC (Energy Level Passive Clustering) dont l'objectif principal est d'améliorer la durée de vie du réseau en présence de flux vidéo. Ceci est obtenu grâce à l'équilibrage des charges au moment de la construction de la topologie où le rôle de tête de groupe est alterné entre les noeuds candidats en fonction de leur niveau d'énergie. La deuxième contribution consiste en un protocole de routage multichemin qui prend les interférences inter-chemin en considération. Au lieu de supprimer complètement les interférences, notre protocole de routage multichemin tente de les minimiser en se basant sur l'ajout d'informations supplémentaires sur les noeuds voisins dans les messages de construction de la topologie. De plus, nous proposons un schéma de files d'attente à priorités multiples où l'influence des types de données. Les résultats des simulations montrent que l'utilisation de chemins moins interférents combinée à un régime de multipriorité permet une meilleure qualité vidéo / Nowadays, the proliferation of inexpensive hardware such as CMOS cameras and microphones that are able to ubiquitously capture multimedia content has led to the emergence of wireless multimedia/video sensor networks (WMSN/WVSN). As a consequence, a wide spectrum of applications can be projected in many areas and everyday life. Compared to traditional WSNs, WVSNs introduce unique challenges due mainly to the big amount of data to be captured and transmitted over a constrained network. In this work, we first propose a cluster-based (hierarchical) routing protocol called ELPC (Energy Level Passive Clustering) where the main objective is to enhance the network lifetime while handling video applications. This is achieved thanks to a load balancing feature where the role of clusterheads is alternated among candidate nodes depending on their energy level. The second contribution consists in a multipath routing protocol with interference awareness. Instead of completely suppressing interferences, our multipath routing protocol tries to minimize them through a simple algorithm without extra overhead. Multiple paths are built at once while minimizing their inter-path interferences thanks to some additional information on neighboring nodes piggybacked on the route request messages. In addition to interference awareness, we propose a multiqueue multipriority scheme where the influence of data type in a video is considered. Simulation results show that using less interfering paths combined to a multiqueue multipriority scheme allows for better video quality

La thèse aborde le problème de la dissémination des informations liées au produit tout au long de son cycle de vie, par l’exploitation du concept de matière communicante. L’objectif général est de stocker dans la matière communicante ses caractéristiques initiales mais aussi l’évolution de ses propriétés durant son usage, en évitant de les perdre lors par exemple d’une transformation ou d’une destruction d’une partie du matériau. Dans le cadre de cette thèse, ce principe est appliqué dans le domaine des préfabriqués en béton, où des nœuds de réseaux de capteurs sans fil sont intégrés dans le béton. Ces nœuds sont alors utilisés pour stocker des informations relatives au cycle de vie du préfabriqué et à sa surveillance sur la phase d’usage. Un nouveau protocole de communication, nommé USEE, a été proposé et permet de diffuser uniformément les informations dans la matière en considérant qu’elles n’ont pas toutes la même importance. Le protocole USEE évite notamment la saturation rapide des mémoires des nœuds de façon à pouvoir stocker un maximum d’informations différentes. Ensuite, un protocole de lecture, intitulé RaWPG, a été développé. Il est adapté à la récupération d’informations uniformément réparties et consomme peu d’énergie. Ces deux protocoles ont été implémentés dans le simulateur réseau Castalia/OMNeT++ et ont permis de montrer leur intérêt par rapport au contexte applicatif mais aussi par rapport à d’autres protocoles similaires de la littérature / A new Internet of Things area is coming with communicating materials, which are able to provide diverse functionalities to users all along the product lifecycle. As example, it can track its own evolution which leads to gather helpful information. This new paradigm is fulfilled via the integration of specific electronic components into the product material. In this thesis, ultra-small wireless sensor nodes are used for concrete precast field. Indeed, storage of lifecycle information and data dissemination in communicating materials are very important issues. Therefore, this thesis provides a new protocol (USEE) for storing data by a systematic dissemination through the integrated sensor nodes. It guarantees that information could be retrieved in each piece of the concrete by intelligently managing data replication among each neighborhood of the sensor network. The protocol considers in the same set uniformity storage in the whole network, the data importance level, and the resource constraints of sensor nodes. Then, another new data retrieval protocol (RaWPG) is developed to extract the stored information. Castalia/OMNeT++ simulator is used to evaluate the performances of the proposed protocols

La thèse porte sur la conception de protocoles de routage pour les réseaux de capteurs. Les problèmes de recherche du routage de données dans un réseau multi-sauts sont d’une part l’optimisation de l’énergie et d’autre part le routage sous contraintes de la qualité de service (QoS) multicritères (e.g., énergie, fiabilité, délai, …). Cette thèse apporte deux contributions par rapport à l’état de l’art : une optimisation d'un protocole de routage probabiliste pour l'équilibre de l'usage d'énergie et un protocole de routage capable de prendre en compte simultanément des métriques de QoS multiples. En effet, pour équilibrer la consommation de l’énergie du routage lorsque des chemins multiples existent, les protocoles de routage probabiliste existants affectent une probabilité de choix à chaque chemin, soit de façon empirique, soit proportionnelle au niveau de l’énergie disponible du chemin. Nous ne savions pas quelles sont les probabilités optimales qui permettent d’avoir la durée de vie maximale du réseau. Cette thèse a permis d’établir ces probabilités optimales à l’aide de la modélisation sous forme d’un problème d’optimisation linéaire. Quant au problème du routage multicritères, bien que des métriques multiples soient définies par RPL (un standard d’IETF), les protocoles existants choisissent la route soit sur une métrique, soit sur une fonction de coût combinant plusieurs (qui introduit par conséquent un biais de pondération), mais jamais plusieurs simultanément. Dans cette thèse, nous avons d’abord évalué numériquement les performances de l’approche « operator calculus algebra » introduit par R. Schott et S. Staples qui définit un algorithme efficace permettant de trouver tous les chemins satisfaisant les contraintes multiples dans un graphe , puis dérivé une version distribuée sur laquelle nous avons conçu un protocole de routage multi-métriques. Ces deux contributions ont été implémentées dans l’environnement Contiki et émulées/simulées sous Cooja (un logiciel permettant de simuler des protocoles des réseaux de capteurs) / In this thesis, we focus on routing protocols for Wireless Sensor Networks (WSNs). The main research problems in the domain of routing data packets in a multi-hop network are the optimisation of the energy and the routing under multi-criteria QoS constraints (e.g., energy, reliability, delay, …). To address these problems, this dissertation proposes two contributions. Firstly, an optimal probabilistic routing protocol which balances the usage of energy and secondly, a routing protocol which is able to simultaneously take into account multiple QoS metrics. In fact, for balancing the energy consumption between the multiple existing links, the existing probabilistic routing protocols assign a probability to each link, either in an empirical way or depending on proportional energy level of the path. We did not know what are the optimal probabilities which lead to the optimal network lifetime. Our first contribution proposes optimal probabilities by modeling and solving a linear programming problem. As for the multi-constrainted QoS routing problem, multiple metrics are defined by RPL (a standard of IETF) but the existing protocols chose paths either according to only one metric or using a single aggregated function with multiple metrics, but never all the metrics simultaneously. In this dissertation, we first evaluate the performance of the operator calculus algebra introduced by R. Schott and S. Staples which defines an efficient algorithm allowing to find all the paths which satisfy the multiple constraints in a graph, and secondly we proposed a distributed version of this algorithm based on which a routing protocol has been designed. Both contributions are implemented in Contiki environment and simulated/emulated under Cooja (a software designed for simulating protocols of WSNs)

Cette thèse étudie les problèmes d’optimisation bi-objectifs des communications dans les réseaux de capteurs hétérogènes du point de vue de la portée de transmission. Le premier critère considéré est nécessairement l'énergie qu’il s’agit d'économiser pour maximiser la durée de vie du réseau. Le second critère, primordial dans le cas des applications en temps réel, est le délai d'acheminement des données. Pour résoudre le problème d’optimalité de la diffusion, nous proposons une formulation en nombres entiers, un algorithme d’approximation, une méta-heuristique et une heuristique permettant de trouver ou s’approcher de l’optimal pour les objectifs considérés.Pour le cas du routage, nous proposons une approche cross-layer via un programme linéaire en nombre entiers entre les couches MAC et Liaison de données permettant de calculer l'optimal et ainsi d'avoir un point de comparaison pour les futures heuristiques ayant les mêmes objectifs. / This thesis studies the problems of bi-objective optimization of communications in heterogeneous wireless sensor networks from the point of view of the transmission range. The first criterion considered is necessarily the energy consumption that needs to be reduced in order to maximize the network lifetime. The second criterion is the data transmission delay, which is essential for real-time applications.To solve the optimality problem of the broadcast, we propose an integer linear program, an approximation algorithm, a meta-heuristic and a heuristic. All these techniques allow us to find or to approximate the optimal solutions for the considered objectives.For the routing case, we propose a cross-layer approach via an integer linear program between the MAC and Data Link layers. Our method calculates the optimal solution, which represents a point of comparison for future heuristics having the same goals.

Une maintenance efficace d’un dispositif industriel ne peut être basée que sur la fiabilité et l’exactitude de données physiques captées sur ledit dispositif, à des fins de surveillance. Dans certains cas, le monitoring de tels systèmes industriels ou de zones à surveiller ne peut pas être assuré à l’aide de capteurs individuels ou filaires, du fait par exemple de problèmes d’accès ou de milieux hostiles. Les Réseaux de Capteurs Sans Fil (RCSF) sont alors une alternative. En raison de la nature des communications dans ces réseaux, et des caractéristiques des appareils composants ces derniers, un RCSF est à fort risque de pannes au niveau des capteurs, et dans ce cas la perte de diverses données est probable - ce qui peut s’avérer problématique pour le monitoring du dispositif. Pour étudier la pertinence des RCSF pour le processus dit de PHM (Prognostic and Health Management, utilisé pour déterminer le plan de maintenance d’un dispositif à surveiller), et l’impact des diverses stratégies déployées dans ces premiers sur ces derniers, nous avons proposé un premier algorithme de diagnostic efficace et l’avons utilisé dans un RCSF simulé pour en mesurer la performance (ce simulateur étant un programme que nous avons développé). / Effective maintenance of an industrial device can only be based on the reliability and accuracy of physical data captured on said device for monitoring purposes. In some cases, monitoring of such industrial systems or areas to be monitored can not be ensured by individual or wire sensors, for example due to access problems or hostile environments. Wireless Sensor Networks (RCSF) are an alternative. Due to the nature of the communications in these networks, and the characteristics of the devices making up the latter, an RCSF is at high risk of failures at the sensors, and in this case the loss of various data is likely - problematic for the monitoring of the device. To study the relevance of the RCSF to the so-called Prognostic and Health Management (PHM) process used to determine the maintenance plan for a device to be monitored, and the impact of the various strategies deployed in the latter on the latter, proposed a first efficient diagnostic algorithm and used it in a simulated RCSF to measure its performance (this simulator being a program that we developed).

La sécurité des systèmes de contrôle industriel est une préoccupation majeure. En effet, ces systèmes gèrent des installations qui jouent un rôle économique important. En outre, attaquer ces systèmes peut non seulement entraîner des pertes économiques, mais aussi menacer des vies humaines. Par conséquent, et comme ces systèmes dépendent des données collectées, il devient évident qu’en plus des exigences de temps réel, il est important de sécuriser les canaux de communication entre ces capteurs et les contrôleurs principaux. Ces problèmes sont plus difficiles à résoudre dans les réseaux de capteurs sans fil (WSN). Cette thèse a pour but d’aborder les questions de sécurité des WSN. Tout d’abord, nous effectuons une étude de sécurité approfondie du protocole WirelessHART. Ce dernier est le protocole leader pour les réseaux de capteurs sans fil industriels (WISN). Nous évaluons ses forces et soulignons ses faiblesses et ses limites. En particulier, nous décrivons deux vulnérabilités de sécurité dangereuses dans son schéma de communication et proposons des améliorations afin d’y remédier. Ensuite, nous présentons wIDS, un système de détection d’intrusion (IDS) multicouches qui se base sur les spécifications, spécialement développé pour les réseaux de capteurs sans fil industriels. L’IDS proposé vérifie la conformité de chaque action effectuée par un noeud sans fil sur la base d’un modèle formel du comportement normal attendu. / The security in Industrial Control Systems is a major concern. Indeed, these systems manage installations that play an important economical role. Furthermore, targeting these systems can lead not only to economical losses but can also threaten human lives. Therefore, and as these systems depend on sensing data, it becomes obvious that additionally to real-time requirement, it is important to secure communication channels between these sensors and the main controllers. These issues are more challenging inWireless Sensor Networks (WSN) as the use of wireless communications brings its own security weaknesses. This thesis aims to address WSN-based security issues. Firstly, we conduct an in-deep security study of the WirelessHART protocol. This latter is the leading protocol for Wireless Industrial Sensor Networks (WISN) and is the first international approved standard. We assess its strengths and emphasize its weaknesses and limitations. In particular, we describe two harmful security vulnerabilities in the communication scheme of WirelessHART and propose improvement in order to mitigate them. Secondly, we present wIDS, a multilayer specification based Intrusion Detection System (IDS) specially tailored for Wireless Industrial Sensor Networks. The proposed IDS checks the compliance of each action performed by a wireless node based on a formal model of the expected normal behavior.