L'utilisation des réseaux de capteurs sans fil (WSN) ne cesse d'augmenter au point de couvrir divers domaines et applications. Cette tendance est supportée par les avancements techniques achevés dans la conception des capteurs, qui ont permis de réduire le coût ainsi que la taille de ces composants. Toutefois, il reste plusieurs défis qui font face au déploiement et au bon fonctionnement de ce type de réseaux et qui parviennent principalement de la limitation des ressources de capteurs ainsi de l'imperfection des données collectées. Dans cette thèse, on adresse le problème de collecte de données et de détection d'anomalies dans les réseaux de capteurs. Nous visons à assurer ces deux fonctionnalités tout en économisant l'utilisation des ressources de capteurs et en prolongeant la durée de vie de réseaux. Tout au long de ce travail, nous présentons plusieurs solutions qui permettent une collecte efficace de données de capteurs ainsi que une bonne détection des éventuelles anomalies. Dans notre première contribution, nous décrivons une solution basée sur la technique Compressive Sensing (CS) qui permet d'équilibrer le trafic transmis par les nœuds dans le réseau. Notre approche diffère des solutions existantes par la prise en compte de la corrélation temporelle ainsi que spatiale dans le processus de décompression des données. De plus, nous proposons une nouvelle formulation pour détecter les anomalies. Les simulations réalisées sur des données réelles prouvent l'efficacité de notre approche en termes de reconstruction de données et de détection d'anomalies par rapport aux approches existantes. Pour mieux optimiser l'utilisation des ressources de WSNs, nous proposons dans une deuxième contribution une solution de collecte de données et de détection d'anomalies basée sur la technique Matrix Completion (MC) qui consiste à transmettre un sous ensemble aléatoire de données de capteurs. Nous développons un algorithme qui estime les mesures manquantes en se basant sur plusieurs propriétés des données. L'algorithme développé permet également de dissimuler les anomalies de la structure normale des données. Cette solution est améliorée davantage dans notre troisième contribution, où nous proposons une formulation différente du problème de collecte de données et de détection d'anomalies. Nous reformulons les connaissances a priori sur les données cibles par des contraintes convexes. Ainsi, les paramètres impliqués dans l'algorithme développé sont liés a certaines propriétés physiques du phénomène observé et sont faciles à ajuster. Nos deux approches montrent de bonnes performances en les simulant sur des données réelles. Enfin, nous proposons dans la dernière contribution une nouvelle technique de collecte de données qui consiste à envoyer que les positions les plus importantes dans la représentation parcimonieuse des données uniquement. Nous considérons dans cette approche le bruit qui peut s'additionner aux données reçues par le nœud collecteur. Cette solution permet aussi de détecter les pics dans les mesures prélevées. En outre, nous validons l'efficacité de notre solution par une analyse théorique corroborée par des simulations sur des données réelles / The use of Wireless Sensor Networks (WSN)s is steadily increasing to cover various applications and domains. This trend is supported by the technical advancements in sensor manufacturing process which allow a considerable reduction in the cost and size of these components. However, there are several challenges facing the deployment and the good functioning of this type of networks. Indeed, WSN's applications have to deal with the limited energy, memory and processing capacities of sensor nodes as well as the imperfection of the probed data. This dissertation addresses the problem of collecting data and detecting anomalies in WSNs. The aforementioned functionality needs to be achieved while ensuring a reliable data quality at the collector node, a good anomaly detection accuracy, a low false alarm rate as well as an efficient energy consumption solution. Throughout this work, we provide different solutions that allow to meet these requirements. Foremost, we propose a Compressive Sensing (CS) based solution that allows to equilibrate the traffic carried by nodes regardless their distance from the sink. This solution promotes a larger lifespan of the WSN since it balances the energy consumption between sensor nodes. Our approach differs from existing CS-based solutions by taking into account the sparsity of sensory representation in the temporal domain in addition to the spatial dimension. Moreover, we propose a new formulation to detect aberrant readings. The simulations carried on real datasets prove the efficiency of our approach in terms of data recovering and anomaly detection compared to existing solutions. Aiming to further optimize the use of WSN resources, we propose in our second contribution a Matrix Completion (MC) based data gathering and anomaly detection solution where an arbitrary subset of nodes contributes at the data gathering process at each operating period. To fill the missing values, we mainly relay on the low rank structure of sensory data as well as the sparsity of readings in some transform domain. The developed algorithm also allows to dissemble anomalies from the normal data structure. This solution is enhanced in our third contribution where we propose a constrained formulation of the data gathering and anomalies detection problem. We reformulate the textit{a prior} knowledge about the target data as hard convex constraints. Thus, the involved parameters into the developed algorithm become easy to adjust since they are related to some physical properties of the treated data. Both MC based approaches are tested on real datasets and demonstrate good capabilities in terms of data reconstruction quality and anomaly detection performance. Finally, we propose in the last contribution a position based compressive data gathering scheme where nodes cooperate to compute and transmit only the relevant positions of their sensory sparse representation. This technique provide an efficient tool to deal with the noisy nature of WSN environment as well as detecting spikes in the sensory data. Furthermore, we validate the efficiency of our solution by a theoretical analysis and corroborate it by a simulation evaluation

L'essor rencontré par les différentes technologies dédiées aux réseaux de capteurs (WSN), a conduit au développement de plateformes capables d'opérer dans deux technologies différentes, adaptatives aux contextes de transmission. De telles plateformes ouvrent la porte à la conception de réseaux multitechnologies, que nous proposons d'exploiter dans le but de réduire la consommation d'énergie globale. Dans le but d'exploiter ces réseaux multitechnologies, nous décrivons les principales technologies de l'Internet des Objets (IoT), en les comparant sur un pied d'égalité grâce à l'analyseur que nous avons développé, puis les classifions en fonction des mécanismes MAC qu'elles exploitent. Nous analysons ensuite le lien entre le contexte applicatif (latence et fréquence de la génération de données) et le mécanisme MAC consommant le moins d'énergie pour ce contexte applicatif.Nous remarquons alors que les technologies exploitants un mécanisme MAC synchrone sont les plus adaptées aux trafics applicatifs périodiques dont les intervalles entre les générations de données sont courts. En effet, pour ces trafics, la dérive d'horloge entraine un coût de maintien de la synchronisation active trop élevé dans le cas de trafics périodiques rares. De plus, nous remarquons que la gestion des trafics applicatifs rares contraints en latence repose, dans les solutions existantes, sur l'utilisation d'une plateforme constamment active en mode de réception. Nous proposons alors d'exploiter les plateformes multitechnologies pour constituer un réseau synchrone dans lequel chaque nœud répartit son activité dans le temps pour globalement économiser de l'énergie pour remplacer le rôle du dispositif constamment disponible utilisé pour acheminer des trafics asynchrones contraints en latence. Nous remarquons que lors de la procédure d'attache au réseau synchrone, la situation du nœud qui tente de rejoindre un réseau synchrone dans le but d'y acheminer des données est similaire à la situation d'un nœud asynchrone qui souhaite acheminer des données au sein d'un réseau synchrone.Ainsi, nous proposons d'exploiter la phase d'attache au réseau pour acheminer des trafics émanants de noeuds asynchrones, contraints en latence, au sein d'un réseau synchrone.Cependant, les procédures actuellement standardisées d'attache au réseau sont naïves et très coûteuse en énergie, ce qui décourage l'utilisation d'un mode de communication asynchrone, reposant sur une succession d'associations/désassociations du réseau : nous proposons deux approches pour réduire le coût de cette procédure d'attache à un réseau TSCH. La première repose sur l'exploitation de séquences mathématiques dont la propriété est d'étaler les périodes d'activités dans le temps, tout en minimisant l'impact sur la latence de la procédure, pour diminuer le coût énergétique global de la procédure d'attache. La deuxième méthode proposée exploite les trames d'acquittement (ACK) des communications TSCH pour y ajouter des éléments d'informations : la date d'envoi de la prochaine trame de synchronisation sur le même canal physique que celui utilisé pour l'envoi de la trame d'ACK. Grâce au développement d'un simulateur des performances de la phase d'attache à un réseau TSCH, nous montrons que les protocole d'attaches proposés obtiennent de meilleures performances, soit en termes de latence, soit en termes de consommation d'énergie globale, que les protocoles d'attache classiquement utilisés dans les réseaux de capteurs.Enfin, nous proposons d'exploiter les mécanismes de la deuxième proposition d'attache au réseau pour l'envoi de trames de sollicitation à destination d'un nœud fonctionnant avec une technologie asynchrone, permettant ainsi d'acheminer un trafic asynchrone au sein d'un réseau synchrone en une latence bornée. Nous montrons la faisabilité et prouvons l'intérêt d'une telle proposition. / The growth of various technologies dedicated to sensor networks (WSN) has led to the development of platforms capable of operating in two different technologies, adaptive to transmission contexts. Such platforms open the door to the design of multi-technology networks, which we propose to exploit to reduce overall energy consumption. In order to exploit these multi-technology networks, we describe the main Internet of Things (IoT) technologies, comparing them on an equal footing thanks to the analyzer we developed, and classify them according to the MAC mechanisms they use. We then analyze the link between the application context (latency and frequency of data generation) and the MAC mechanism that consumes the least energy for this application context.We note that the technologies operating with a synchronous MAC mechanism are the most suitable for periodic application traffic with short intervals between data generation. For these traffic patterns, clock drift leads to extensive traffic overhead because of the need to actively maintain synchronization for sparse periodic traffic.Moreover, we notice that, in the existing solutions, the management of sparce application traffic management is based on the use of an always-on platform (in reception mode). We thus propose to exploit the multi-technology platforms to build a synchronous network in which each node distributes its activity over time to globally save energy by replacing the role of the always-on platform, while guaranteeing the delivery of the latency-constrained asynchronous traffic.We notice that during the synchronous network joining phase, the situation of the node attempting to join a synchronous network is similar to the situation of an asynchronous node wanting to deliver data through a synchronous network.Thus, we propose to exploit the synchronous network joining phase to route latency-constrained traffic originating from asynchronous nodes through the synchronous network.However, the currently standardised network attachment procedures are naïve and energy-greedy, which discourages the use of an asynchronous communication mode, based on a succession of network associations/dissociations: we thus propose two approaches to reduce the cost of the TSCH network attachment procedure.The first is based on the use of mathematical sequences wich distribute the periods of activity over time, while minimizing the impact on the latency of the procedure, in order to reduce the overall energy cost of the attachment procedure. The second proposed method exploits the acknowledgement frames (ACK) of TSCH data communications to embed the date of the next synchronization frame transmission on the same physical channel as the ACK frame. Thanks to the development of a simulator of the TSCH joining phase, we show that the proposed protocols achieve better performance, either in terms of joining latency, or in terms of overall energy consumption, than the standard joining protocols used in WSN.Finally, we propose to exploit the mechanisms of the second proposal for sending request frames to a node operating with an asynchronous technology, thus enabling asynchronous traffic to be routed through a synchronous network in bounded latency. We demonstrate the value and feasibility of such a proposal.

Les réseaux de capteurs sans fil sont composés de petits équipements embarqués et autonomes qui coopèrent pour surveiller leur environnement de manière non-intrusive. Les données collectées par chaque capteur (tels que la température, des mouvements, des sons, etc.) sont remontées de proche en proche vers un puits de collecte en utilisant des technologies de communication sans fil. De plus en plus d'applications requièrent le placement des capteurs sur des éléments mobiles. Hors, à l'instar des équipements des réseaux IP, les nœuds capteurs pourront traverser plusieurs réseaux durant leurs déplacements. Cette thèse s'intéresse à cette problématique et propose deux solutions pour gérer ces nœuds mobiles. Notre première contribution, le protocole Mobinet, utilise la sur-écoute liée au médium radio pour détecter le voisinage d'un nœud mobile et ainsi lui permettre de gérer sa mobilité. D’autre part, l'intégration de nombreux nœuds mobiles dans les réseaux visités va augmenter le nombre de paquets transitant au sein de ces réseaux. Notre seconde proposition, le protocole CLOMAC, a pour objectif de réduire les congestions pouvant survenir en créant dynamiquement des chemins alternatifs vers le puits. / Wireless sensor networks are composed of small autonomous embedded devices which cooperate to monitor their environment in a less intrusive fashion. Data collected by each sensor node (such as temperature, movements, sounds, etc.) are reported to a sink station hop-by-hop using wireless transmissions. More and more application require sensors to be placed on mobile elements. However, in the manner of IP devices, mobile nodes may cross differents networks during their trips. This thesis focuses on this problematic and propose solutions to manage thoses mobile nodes. Our first contribution, the Mobinet protocol, uses the overhearing of the wireless medium to detect nodes in the vicinity of a mobile node and use this information to manage its mobility. Besides, integrating numerous mobile nodes will increase data trafic the visited networks. Our second proposition, the CLOMAC protocol, aims to reduces congestions which may appear by creating dynamic alternative path toward the sink station.

Ce mémoire de thèse s’intéresse aux réseaux hétérogènes de capteurs sans fil (Wireless Sensor Networks – WSNs) constitués par une multitude de dispositifs de détection qui coexistent malgré leurs caractéristiques différentes. Contrairement aux réseaux homogènes de capteurs, chaque capteur d’un réseau hétérogène est capable de détecter et mesurer différents phénomènes physiques (température, pression, humidité) et générer ainsi un trafic avec des caractéristiques spécifiques, différentes d’un capteur à l’autre.En effet, selon l’application visée, le déploiement initial des nœuds peut être aléatoire, résultant en une répartition non-homogène des nœuds dans l’environnement. Autres facteurs comme l’extinction d’un nœud suite à l’épuisement de sa batterie ou à une faute générique peuvent impacter l’hétérogénéité de la répartition des nœuds. Tous ces phénomènes peuvent être perçus comme une source supplémentaire d’hétérogénéité dans les réseaux de capteurs sans fil. Puisque les facteurs d’hétérogénéité peuvent évoluer tant au cours du temps que dans l’espace, il est indispensable de concevoir des mécanismes adaptatifs pour les réseaux hétérogènes de capteurs afin de réagir et de s’adapter à la dynamique du réseau. De tels mécanismes adaptatifs sont toutefois difficiles à mettre en place. L’objectif majeur de cette thèse est d’étudier les problèmes liés à l’hétérogénéité dans les réseaux de capteurs sans fil afin de concevoir des méthodes de contrôle de l’accès au canal (Medium Access Control – MAC) qui s’adaptent à la dynamique de l’hétérogénéité tout en étant économe d’un point de vue énergétique. Deux sources d’hétérogénéité sont envisagées.Dans un premier temps, nous considérons les problématiques liées aux sources dans trafics multiples chacune dotée de caractéristiques et contraintes spécifiques. Pour pallier ce problème, un protocole MAC adaptatif basé sur une approche asynchrone est proposé ; il consiste en une méthode MAC de préservation de l’énergie, couplée à l’utilisation d’un instant de rendez-vous pour la transmission des données. Le protocole proposé, LA-MAC pour Low-Latency MAC, permet de garantir de façon efficace le transport de messages au travers d’un réseau multi-sauts grâce à la transmission d’agrégats de données (bursts). De vastes campagnes de simulations numériques corroborent la supériorité de LA-MAC en termes de latence, de taux de paquets correctement délivrés et de consommation énergétique par rapport à d’autres protocoles présentés dans l’état de l’art.Dans un second temps, nous étudions des réseaux dynamiques de capteurs sans fil, dont la densité de nœuds varie en temps et en espace. Cette densité des nœuds dans le réseau peut se définir comme étant le nombre de dispositifs avec des données à émettre par mètre carré. En effet, de brusques augmentations de la densité résultent en un accroissement du taux de paquets perdus en raison d’une hausse de la probabilité de collision des trames. En outre, une baisse de la densité des nœuds peut causer un gaspillage énergétique dû à une écoute oisive. Dans ce mémoire, nous traitons des réseaux dynamiques de capteurs sans fils dans lesquels les nœuds et les liens radio entre ces nœuds peuvent apparaître ou disparaître au cours du temps en raison de l’épuisement de leurs batterie, ou de toute autre opération d’administration du réseau, comme par exemple le déploiement de nœuds additionnels. Le travail présenté démontre qu’il est possible de fournir un support à la qualité de service (QoS) dans les réseaux dynamiques grâce à une méthode MAC adaptative et consciente de la densité, baptisée DA-MAC pour Density Aware MAC. Avec DA-MAC, les nœuds s’appuient sur la valeur de la densité locale et adaptent périodiquement les paramètres locaux qui régissent le protocole afin d’accéder au canal sans collision. L’efficacité du protocole proposé est présentée en comparaison d’autres protocoles de l’état de l’art dans de vastes campagnes de simulations numériques. / In this PhD thesis, we consider heterogeneous Wireless Sensor Networks (WSNs) in which several sensing devices with different characteristics coexist. In contrast to a homogeneous sensor network, in heterogeneous networks different sensors may sense different physical phenomena generating traffic that have different characteristics such as monitoring temperature, pressure, and humidity. Moreover, also information criticality can be heterogeneous. Deployment of nodes also introduces heterogeneity in the network. Depending on the specific application in fact, initial deployment can be random with the result that the distribution of nodes across the playground may be non-homogeneous. In addition to this, other factors such as node death because of energy resource exhaustion, mobility, or generic fault influence the heterogeneity of the distribution of nodes. All these characteristics can be considered as sources of heterogeneity of a WSN. Heterogeneity conditions may evolve during time and space, therefore, the design of a heterogeneous sensor networks requires adaptive mechanisms able to react to different characteristics, which is difficult to achieve. The goal of the thesis is to investigate the problems related to heterogeneity of sources in WSNs to design adaptive MAC methods that are able to take into account heterogeneity variations and are energy-efficient. We focus on two sources of heterogeneity.First, we study the problem of multiple traffic sources with different characteristics and constraints. Providing differentiated Quality of Service (QoS) such as low latency and high delivery ratio in large and multi-hops networks is a challenge due to limited energy resources of nodes. To solve this problem we propose an adaptive MAC protocol based on the asynchronous preamble sampling (PS) approach, a simple energy saving MAC technique, coupled with the idea of using a rendezvous time for data transmission. The proposed protocol (Low-Latency MAC, LA-MAC), is able to ensure efficient message forwarding throughout a multi-hop network thanks to the transmission of bursts. When messages need to be forwarded, each receiver behaves like coordinator to organize efficient transmission of contending senders. The innovation of the proposed protocol comes from combining enriched PS preambles to locally organize data transmission in a collision limited way. Extensive numerical simulations show that LA-MAC outperforms other state-of-the- art protocols in terms of latency, delivery ratio, and energy consumption.The precise evaluation of the energy consumption in large wireless sensor networks that use preamble sampling MAC is difficult. In this thesis, we propose an analytic model for energy evaluation of PS that depends on the instantaneous traffic load of localized regions so that it is independent of the network traffic patterns that can also be heterogeneous. Second, we study dynamic WSNs with density of nodes that varies across space and time. Such networks are characterized by high variability in terms of node densities. Rapid density variation may affect the network state effecting the collision probability and energy consumption of devices. We address the case of dynamic wireless sensor networks in which nodes and/or radio links may appear and disappear over time due to battery exhaustion, node mobility, or network management operations. With the work presented in this thesis we show that it is possible to provide QoS support in dynamic networks using an adaptive Density Aware MAC (DA-MAC) method. The proposed protocol offers a configurable channel sensing phase during which nodes request transmission opportunity in a way that avoids collisions. With DA-MAC, nodes periodically adapt their local protocol parameters to access the channel without collisions depending on local density state. The efficiency of the proposed protocol with respect to other state-of-the-art protocols is shown with extensive numerical simulations.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à plusieurs méthodes pour améliorer la sécurité des réseaux sans fil ad-hoc. Ces réseaux, ainsi que la sous-famille des réseaux de capteurs sans fil, sont une des solutions les plus intéressantes pour de nombreux problèmes, comme par exemple la collecte de données dans une large zone, ou bien la création d'infrastructure de communication après une catastrophe. Ces réseaux sont par nature collaboratifs, ce qui les rend très vulnérables à d'éventuels attaquants. Pour les protéger, nous étudions la sécurité des protocoles conçus pour ces réseaux. Premièrement, nous proposons SR3 (pour Secure and Resilient Reputation-based Routing), un algorithme de routage sécurisé et résilient pour le routage convergent (tous-vers-un) dans les réseaux de capteurs sans fil. SR3 route ses messages selon une mesure de réputation qui est bâtie sur des informations fiables. Ce protocole garantit la confidentialité de ses données, et l'inforgeabilité de ses paquets. Nous avons prouvé formellement ces propriétés avec deux outils de vérification : Scyther et CryptoVerif. Nous avons montré expérimentalement la résilience de SR3 quand confronté à divers scénarios d'attaque, et nous avons comparé nos résultats à plusieurs algorithmes de routage de la litérature. L'évaluation a montré que la résilience et l'équité fournies par SR3 sont meilleures que celles des autres protocoles, et cette distinction est accentuée si le réseau est peu dense. De plus, et contrairement aux autres protocoles, SR3 est capable de s'auto-adapter aux changements de comportement des attaquants afin d'assurer une qualité de service satisfaisante. Les analyses de la sécurité des protocoles de routage reposent presque toujourssur des simulations, qui évaluent la capacité du protocole à délivrer ses messages aux bons noeuds. Il existe plusieurs définitions différentes pour concevoir la sécurité du routage, mais à notre connaissance, elles considèrent seulement les protocoles de source routing, où les routes sont déterminées avant que le message ne soit envoyé. Nous proposons la notion de corruptibilité, une définition calculatoire et quantitative pour la sécurité du routage basée sur la capacité d'un attaquant à altérer les routes empruntées par un message. Nous illustrons ensuite ces définitions par plusieurs analyses de protocoles. Enfin, nous étudions les systèmes de détection d'intrusions (IDS) pour réseaux sans fil ad-hoc, et plus spécifiquement les sources de données utilisées pour leurs mécanismes de décision. Nous classifions celles-ci en fonction du niveau de coopération qu'elles requièrent, et en fonction de l'origine de leurs données. Nous proposons ensuite InDICE, un outil d'aide à la décision qui étant donné un IDS, permet de découvrir automatiquement quelles attaques seront indétectables par les sources de données qu'utilise cet IDS. Enfin, nous utilisons cet outil pour découvrir deux vulnérabilités dans des IDS de la littérature. / In this document, we focus on ways of increasing the security of wireless ad-hoc networks. These networks, and more specifically wireless sensor networks, look increasingly like the right answer to a lot of problem, such as data collection over a large area, or providing emergency network infrastructure after a disaster. They are also inherently exposed to malicious intents due to their collaborative nature. In order to protect them, we focus on the security aspects of the protocols built for these networks. We first propose a Secure and Resilient Reputation-based Routing protocol, called SR3. This protocol routes messages according to a reputation metric built using only trusted information. This protocol achieves data confidentiality and data packet unforgeability, which we prove formally using two verification tools: CryptoVerif and Scyther. We experimentally show the resiliency of SR3 against various attack scenarios, and we compared our results to several routing algorithms of the literature. This evaluation shows that both the resiliency and fairness accomplished by SR3 are better than for those others protocols, especially when the network is sparse. Moreover, and unlike previous solutions, if the compromised nodes behavior changes, then SR3 will self-adapt in order to ensure an acceptable quality of service. Analyses of routing protocols security are nearly always supported by simulations, which often evaluate the ability to deliver messages to a given destination. Several competing definitions for secure routing exist, but to our knowledge, they only address source routing protocols. We propose the notion of incorruptibility, a quantitative computational definition for routing security based on the attacker's ability to alter the routes used by messages. These definitions are then illustrated with several routing algorithms. Finally, we study Intrusion Detection Systems (IDS) for WANET, and more specifically their inputs. These systems provide a supplementary layer of defenses for WANETs, and they are able to easily detect attacks who are complicated for the network protocols. We classify the different inputs used by the decision process of these IDS, according to their level of required cooperation, and the source of their data. We then propose the InDICE tool, a decision aid which, given an IDS, allows automated discovery of undetectable attacks according to the inputs used by that IDS. In the end, we apply our framework to discover weaknesses in two existing IDS.

Les réseaux de capteurs communicants sont fortement contraints en ressources : calcul, mémoire et énergie. Dans ce contexte, une attention particulière doit être portée lors de la conception des application, des protocoles de communication et du système d'exploitation qui vont être exécutés sur les plateformes. Le but de cette thèse a été d'adapter les modèles de logiciels utilisés classiquement pour la programmation d'applications au domaine des réseaux de capteurs et de proposer des méthodes et outils permettant de construire une version adaptée du logiciel devant s'exécuter sur les cibles à partir d'un modèle de l'application. Une des composantes qui consomment le plus d'énergie d'un micro-capteur c'est son interface radio. Le comportement d'une couche MAC peut être exprimé comme un automate temporisé avec des états fixes (qui correspondent a des états spécifiques du dispositif physique) ou des états libres (dont le choix de mappage est laissé au choix du programmeur). Le comportement d'un périphérique radio peut lui-même être exprimé comme un automate temporisé composé d' états transitoires (avec durée fixe de l'état) et non transitoires (avec une durée illimitée mais avec une contrainte de temps minimal à passer dans l'état). Le problème de mapper un état software libre de durée fixe sur un chemin dans l'automate du dispositif physique en minimisant l'énergie est prouvé NP-complète. Une heuristique permettant de mapper les états libres d'un automate correspondant à un protocole software sur des états ou chemins entre les états d'un dispositif physique est proposée. L'approche amène à des gains théoriques de 60% pour B-MAC- une couche MAC classique. Pour les 2 catégories de système d'exploitation dédiés à ce type d'applications (modèle à événements et modèle à threads), des squelettes de code sont générés. Adapté a Mantis OS, le squelette de code pour B-MAC confirme en simulation sur la plateforme Worldsens les gains théoriques. Des simulations sur la plateforme réelle Senslab ont prouvé que l'optimisation en terme d'energie ne modifie pas les performances fonctionnelles du protocole. / Wireless Sensor Networks are are highly constrained in resources: computation, memory and energy. In this context, particular attention must be paid when designing applications, communication protocols and operating systems that will run on the sensor nodes. The purpose of this thesis was to adapt the software models conventionally used for programming applications to the field of sensor networks and to propose methods and tools to build a customized version of the software to run on the sensor nodes from a model of the application.One of the components of a micro-sensor that consumes the most energy is its radio interface. The behavior of a MAC layer protocol can be expressed as a timed automaton with fixed states (which correspond to specific states of the physical device) or free states ( the choice for their mapping is left to the programmer). The behavior of a radio device itself can be expressed as an automaton consisting of transitional (with fixed duration) and non-transitional states (with unlimited duration but with a minimum time duration constraint). The problem of mapping a free state of the software of fixed duration on a path of the physical device by minimizing the energy consumed is proven to be NP-complete. A heuristic to map the free states of an automaton corresponding to a software protocol to states or paths between the states of a physical device is proposed. The approach leads to theoretical gains of 60% for the mapping of B-MAC, a MAC layer protocol. For two categories of operating systems dedicated to Wireless Sensor Networks (event model and multi-threaded), code skeletons are generated. The simulations under the Worldsens platform of the multi-threaded code skeleton generated for B-MAC and adapted to Mantis OS confirmed the theoretical gains. Experiments on the real platform SensLab have shown that the optimization in terms of energy does not change the functional performance of the protocol.

Les réseaux de capteurs sans fil contiennent de nombreux nœuds capables de recueillir et de transmettre des données de manière autonome. Optimiser la collecte de données est une tâche importante pour ces réseaux. Cette optimisation passe par trois axes: 1. L'agrégation des paquets pour réduire le trafic dans le réseau.2. Éviter les interférences et les collisions de paquets. 3. Une bonne stratégie de déploiement des nœuds. D'abord, nous avons travaillé sur l'agrégation de données dans les réseaux de capteurs. Cette technique permet au réseau de réduire la consommation d'énergie en éliminant les paquets redondants, et en combinant plusieurs paquets pour les envoyer en un seul paquet. Dans notre travail, nous avons considéré les applications temps réel dans les réseaux de capteurs. Nous avons proposé une solution qui combine un clustering multi-niveaux avec un mécanisme de transmission de données entre les clusterheads qui favorise l'agrégation. En outre, nous avons développé une nouvelle approche distribuée pour construire un backbone virtuel dans les réseaux de capteurs. Les nœuds du backbone sont les nœuds d'agrégation. Cette technique permet de réduire la consommation d'énergie et améliore la tolérance aux pannes et ainsi augmente la quantité de données qui atteint la station de base. Ensuite, nous nous sommes concentrés sur la façon dont les capteurs accèdent au canal de transmission via les protocoles MAC afin de diminuer le risque de collision des paquets. L'originalité de notre travail est lié à l'utilisation des nœuds mobiles et les applications temps réel dans les réseaux de capteurs sans fil. En effet, ces deux critères ont toujours été traités de façon séparée. Toute approche développée qui vise à améliorer la performance du réseau ne fonctionne bien qu'avec une bonne stratégie de déploiement sur le terrain. Par conséquent, nous proposons une nouvelle solution pour estimer les positions des différents composants du réseau et nous fournissons un nouvel outil pour aider les techniciens sur terrain lors de l'installation de ces composants. Notre solution de déploiement a été appliquée à un réseau de compteurs intelligents appelé EverBlu. Ce système est une solution de collecte de données sans fil développée par Itron. Il est adapté à tout type de compteur (eau, gaz et chaleur) et pour différentes topologies de sites, que ce soit en milieu urbain ou rural / Wireless sensor networks (WSNs) contain many nodes able to collect and transmit data autonomously. Optimizing data collection is an important issue in these networks. This optimization goes through three axis: 1. Packet aggregation to reduce the traffic in the network. 2. Avoiding interference and packets collision. 3. A good deployment strategy in field. We firstly worked on data aggregation in WSNs which enables the network to reduce energy consumption by removing redundant packets, and by combining packets together and sending them as one packet. In our research, we considered real-time applications in WSNs. For these networks, we proposed a solution that combines a multi-level clustering with a data transmission mechanism between cluster heads that promotes aggregation. In addition, we developed a new distributed approach to construct a virtual backbone in a WSN. The nodes inside the backbone are the aggregator nodes. This technique reduces the energy consumption and enhances fault tolerance which increases the amount of data that reaches the sink even when some nodes fail in the network. Then, we focus on how the sensors access to the transmission channel via Medium Access Control (MAC) protocols in order to decrease the risk of packets collision. The originality of our work is related to mobile nodes and real-time WSN applications. In fact, these two criteria were always treated independently. Any developed approach that aims to enhance the network performance works well only with a good deployment strategy in field. Therefore we propose a new solution to predict the different network components and we provide a new tool to assist the technicians in field while installing these components. Our deployment solution was applied to a smart metering network called EverBlu. This system is a wireless data collection solution developed by Itron. It is suitable for any meter type (Water, Gas and Heat) and for various site topologies, either in urban or rural environments

L’utilisation des réseaux de capteurs offre de nouvelles perspectives dans de nombreux domaines (médecine, militaire, etc.). Les données récoltées par ces capteurs circulent en clair sur les réseaux de capteurs et peuvent être interceptées par un espion. Selon le domaine d’utilisation, le niveau de sécurité souhaité peut être élevé, ce qui peut provoquer une hausse de la consommation d’énergie sur les nœuds. Ces deux contraintes, sécurité et énergie, sont difficilement conciliables. Il y a donc un compromis à trouver entre l’économie d’énergie qui va conditionner la durée de vie du réseau, et le niveau de sécurité souhaité par l’application. L’objectif de cette thèse est d’étudier les compromis à trouver entre ces deux contraintes, à la fois d’un point de vue théorique et d’un point de vue pratique (par une implémentation des algorithmes et des tests réels sur des réseaux de capteurs par choisissant les algorithmes DES et AES). L’algorithme de cryptographie symétrique DES a ´ et ´e choisi comme objet d’étude. Les résultats obtenus sur la plateforme académique Senslab ont permis de déterminer une relation précise entre la consommation d’énergie et le nombre de rondes de DES et donc le niveau de sécurité. Ces expériences ont été renouvelées avec l’algorithme AES, plus récent et plus sûr, mais aussi plus consommateur en énergie. Puis, à partir des résultats obtenus, un modèle générique de consommation pour les algorithmes cryptographiques a été construit pour un réseau complet. L’utilisation complémentaire de la compression des données a permis de réduire cet impact de manière intéressante. Enfin, l’utilisation de la mémoire et l’évaluation du temps de chiffrement et de compression ont été évalué de manière à rester dans des fourchettes réalistes d’utilisation réaliste. / Wireless sensor networks give us opportunities to improve many applications in many fields(medicine, military, etc.). The data collected by sensor node flies as plain text on sensor networkand can be intercepted by a spy. Depending on the importance of data, the wanted level of securitycould be high which may impact the energy consumption of sensor nodes. These two constraints,security and energy are difficult to combine. There is a trade-off between energy savings that willdetermine the lifetime of the network and the level of security desired by the application.The objective of this thesis is to study the trade-off between these two constraints, both from atheoretical perspective and from a practical point of view (with an implementation of algorithms andreal tests on sensor networks). The DES symmetric cryptographic algorithm was chosen as a casestudy. The results obtained on the academic platform Senslab have shown a clear relationshipbetween energy consumption and the number of rounds of DES and therefore the level of security.These experiments were repeated with the AES algorithm, newer and safer, but also more energyconsumer.Then, from the results, a generic model of consumption for cryptographic algorithms has been builtfor a complete network. The complementary use of data compression has reduced this impact ofenergy consumption in an interesting way. Finally, the memory usage and the time of encryption andcompression were evaluated in order to stay within realistic ranges of use.

Les progrès technologiques accomplis durant ces dernières décennies dans les domaines des microsystèmes et des radiocommunications nous permettent de réaliser des composants communicants miniaturisés à faible coût afin de constituer des réseaux de capteurs sans fil. Typiquement, chacun de ces composants intègre une ou plusieurs unités de mesures (capteur), une unité de traitement de données, une unité de communication radio et une batterie. De ce fait, un nouveau domaine de recherche s’est créé pour étudier le déploiement de ces réseaux afin d’offrir des solutions de surveillance et de contrôle à distance, notamment dans des environnements complexes ou inaccessibles. Les domaines d’application de ces capteurs sont très variés, allant de la domotique au militaire en passant par le médical et les infrastructures civiles. Souvent, ces applications impliquent des contraintes sévères en terme d’autonomie qui idéalement devrait atteindre plusieurs dizaines d’années. Pour atteindre cet objectif, il est à la fois nécessaire de réduire la consommation énergétique du nœud capteur et de trouver d’autres solutions d’alimentation en énergie pour le nœud. Pour adresser ce deuxième point, la récupération d’énergie à partir de l’environnement (solaire, vibratoire, thermique, etc.) semble représenter une solution idéale pour alimenter un nœud capteur, bien que celui-ci doive s’adapter aux faibles quantités d’énergie récupérées par ces systèmes, ainsi qu’à leurs variations et intermittences. Ces travaux de thèse s’intéressent donc à la problématique de la simulation et de la réduction de la consommation des nœuds de capteurs sans-fil et autonomes en énergie. Dans un premier temps, nous avons développé la plateforme HarvWSNet, un environnement de co-simulation alliant le simulateur de réseaux WSNet et Matlab permettant ainsi la modélisation précise et la simulation hétérogène des protocoles de communication (typiquement à événements discrets) et des systèmes de récupération d’énergie (qui possèdent typiquement un comportement à temps continu). Nous avons démontré que cette plateforme permet de réaliser très rapidement des études de pré-prototypage de scénarios applicatifs de déploiement et ainsi réduire le temps de conception de ces nouvelles technologies. Grâce à la modélisation précise des éléments du système de récupération d’énergie (batterie, supercapacité, etc.) permise par cette plateforme, nous avons étudié et évalué la durée de vie de déploiements à large échelle de réseaux de capteurs alimentés par des systèmes de récupération d’énergie (solaire et éolien). La deuxième contribution de cette thèse concerne l’étude et l’implémentation de stratégies de reconfiguration dans l’interface de communication radio, qui est souvent la principale source de consommation d’énergie d’un capteur, afin de permettre au nœud et/ou au réseau de minimiser sa consommation lorsque le bilan de liaison RF est favorable. A cette fin, nous avons proposé une approche originale grâce au développement d’un simulateur de réseau dédié, EnvAdapt (basé sur WSNet). Dans cette nouvelle plateforme, des modèles de consommation des différents blocs du transceiver radio et des algorithmes de reconfiguration ont été implémentés afin d’étudier l’impact de la reconfiguration des performances de la radio sur la qualité de service et l’autonomie d’un réseau de capteurs. / Technological advances achieved over the past decade in the fields of microsystems and wireless communications have enabled the development of small size and low cost sensor nodes equipped with wireless communication capabilities able to establish a wireless sensor network (WSN). Each sensor node is typically equipped with one or several sensing unit, a data processing unit, a wireless communication interface and a battery. The challenges raised by WSNs has lead to the emergence of a new research domain which focuses on the study and deployment of such a networks in order to offer the required remote monitoring and control solutions for complex and unreachable environment. WSNs have found application in a wide range of different domains, including home and structural health monitoring, military surveillance, and biomedical health monitoring. These applications usually impose stringent constraints on the WSN lifetime which is expected to last several years. To reach this objective, it is necessary to reduce the overall energy consumption of the sensor node and to find an additional source of energy as well. To address the last point, energy harvesting from the environment seems to be a an efficient approach to sustain WSNs operations. However, energy harvesting devices, which must also be small, are usually unable to ensure a continuous operation of sensor nodes. Thus, it is necessary to adapt the WSN consumption and activity to the low and unpredictable energy scavenged. The work presented in this thesis focuses on the issue of simulation and power consumption of autonomous sensor nodes. We have first developed, HarvWSNet, a co-simulation framework combining WSNet and Matlab that provides adequate tools to accurately simulate heterogenous protocols (based on discrete-time events) and energy harvesting systems (based on continuous-time events). We have demonstrated that HarvWSNet allows a rapid evaluation of energy-harvesting WSNs deployment scenarios that may accelerate the time-to-market for these systems. Thanks to the accurate energy models (battery, supercapacitor, etc.) implemented in this platform, we have studied and evaluated a large scale deployment of solar and wind energy-harvesting WSNs. Our second contribution focuses on the implementation of energy-aware reconfiguration strategies in the radio transceiver which is usually considered as the most energy hungry component in a sensor node. These strategies are intended to reduce the excessive power consumption of the radio transceiver when the channel conditions are favorable. To this end, we have a new simulation framework called EnvAdapt (based also on WSNet) dedicated to the evaluation of reconfigurable radio transceivers for WSNs. In EnvAdapt, we have implemented the required radio transceiver behavioral and power consumption models that allows the evaluation of the impact of radio transceiver reconfiguration on the communication performance and lifetime of WSNs.

Un réseau de capteurs sans fil résulte du déploiement d'un ensemble de petites unités autonomes interagissant via un réseau construit grâce à leur module de communication qui observent leur environnement par des capteurs pour ensuite traiter et/ou sauvegarder cette information via leur capacité calculatoire et de stockage. La couverture est la seule représentation disponible aux réseaux de capteurs de l'espace physique environnant. Par conséquent, il est essentiel de pouvoir qualifier et quantifier sa qualité notamment concernant la présence de trous. Nos travaux utilisent la topologie algébrique pour répondre à ces problèmes. Plus précisément, nous définissons dans un premier temps une notion de trou de couverture d'un champ scalaire qui mesure la qualité de l'estimation par le réseau de capteurs sans pour autant connaître la position des capteurs. Cela permet d'utiliser l'homologie simpliciale pour déterminer la qualité de la couverture globale et accessoirement de mettre en veille certains capteurs surnuméraires tout en garantissant la couverture. Puis, afin de rendre le résultat précédent facilement calculable par un réseau de capteurs grâce à une distribution du calcul qui supporte en plus le passage à l'échelle, nous utilisons la théorie de Morse discrète pour faire le calcul des groupes d'homologie nécessaires à notre application précédente. Enfin, cette dernière approche est rendue suffisamment souple pour permettre le suivi temporel des modifications de la couverture de manière délocalisée. Cela permet non seulement de suivre la qualité de la couverture lorsque l'environnement se modifie mais aussi de proposer un schéma distribué de mise en veille des capteurs afin d'augmenter la durée de vie du réseau de capteurs tout en garantissant une couverture suffisante. / A wireless sensor network consists of a set of small autonomous units that interact via a network built by their communication modules. They observe their environment by their sensors and then they manage this information according to their computational capacity and storage. The coverage is the only representation available to the sensor network of its environment. Therefore, it is essential to quantify the quality of coverage especially related to the presence of holes. Our work uses algebraic topology to solve these problems. We first define a notion of the coverage hole in a scalar field, which measures the quality of the estimation by the sensor network without knowing the positions of the sensors. It allows the simplicial homology tool to determine the quality of the overall coverage and put certain redundant sensors into sleeping mode with the guarantee of the coverage. Then, to make the previous result easier to compute by a sensor network, the discrete Morse theory is used. It allows a distributed computation of the previous homology groups while supporting scalability necessary in sensor networks domain. Finally, one flexible approach that allows time varying tracking which allows a coverage is proposed in a distributed way. When the environment changes, this approach can not only guarantee the capability of monitoring of coverage quality, but also proposes a scheme to send to sleep the redundant sensors in order to increase the lifetime of the sensor network with adequate coverage.