Les réseaux de capteurs sans fils sont de plus en plus utilisés dans des applications de surveillance de grands systèmes (feux de forêt, gaz dans les galeries minières, éthologie, ...). Une caractéristique de ces applications est que la topologie du réseau va être dynamique : soit les capteurs sont géographiquement mobiles (dispersion d'une nappe de pétrole), soit les conditions environnementales évoluent et modifient les capacités de communication des capteurs entre eux. Aussi, d'un système connexe, on peut évoluer vers un système clustérisé qui présente une rupture de la connectivité globale, et donc du système d'information. Une solution consiste à utiliser un (ou des) collecteur(s) des mesures (par exemple un robot mobile) qui va rétablir une connectivité discrète pour reconstituer à des échéances fixes un système d'information cohérent. Nous avons proposé un algorithme de clustering du réseau de capteurs sans fils adapté à la dynamique de sa topologie. La métrique choisie prend en compte la densité et la mobilité des nœuds, ainsi que leur énergie résiduelle. Ensuite, nous avons conçu un protocole de couche session permettant au collecteur de reconstruire le contexte de communication avec les clusters précédemment visités, sachant qu'ils ont pu évoluer en nombre, dispersion, fusion, ... Pour ce faire, il faut générer dynamiquement une trajectoire optimale du collecteur, en se basant sur un modèle d'estimation de la topologie, en prenant en compte les exigences applicatives (fréquence et volume des informations remontées). Pour la validation de l'algorithme de clustering et du protocole de couche session proposés, nous avons défini un modèle de nœud capteur que nous avons intégré à l'environnement de simulation Opnet.

De nombreux travaux de recherche actuels s'intéressent aux réseaux de capteurs sans fil (RCSF) et à leurs différentes problématiques. L'une d'entre elles est la gestion des données présentes au sein du RCSF. Généralement, les deux grands types de données manipulées sont soit celles collectées à l'aide d'un dispositif de mesure, soit celles gérées par le système d'exploitation. L'objectif de cette thèse est de proposer des solutions à cette problématique. Un microsystème de fichier a ainsi été conçu en prenant comme support un noyau temps réel au fonctionnement hybride à la fois multitâche et basé sur les événements. Ce noyau utilise un concept permettant d'offrir un niveau d'abstraction pour la gestion des processus ou des événements. Ce concept a été repris, au niveau du microsystème de fichiers, dans le cadre de l'accès aux données. L'autre caractéristique principale de ce microsystème de fichiers, par rapport aux systèmes existants, est de réunir, au sein d'un même système, des fonctionnalités de gestion de mémoire et d'interrogation de données. Ces deux éléments, que sont le microsystème de fichiers et le noyau temps réel, associés à un capteur sans fil multi-composant constituent une plateforme adaptative permettant la mise en place d'applications d'acquisition de données environnementales.

Cette thèse traite de la modélisation et la simulation de réseaux de capteurs sans fil afin de fournir des estimations précises de consommations d'énergie. Un cadre de conception et de simulation base sur SystemC au niveau système est proposé, nommé IDEA1. Elle permet l'exploration de l'espace de conception de réseaux de capteurs à un stade amont. Les résultats de simulation comprennent le taux de livraison de paquets, la latence de transmission et les consommations d'énergie. Sur un banc d'essai comportant 9 nœuds, la différence moyen entre les IDEA1 simulations et les mesures expérimentales est 4.6 %. Les performances d'IDEA1 sont comparées avec un autre simulateur largement utilisé, NS-2. Avec la co-simulation matérielle et logicielle, IDEA1 peut apporter des modèles plus détaillés de nœuds de capteurs. Pour fournir les résultats de la simulation au même niveau d'abstraction, IDEA1 réalise les simulations deux fois plus vite que NS-2.Enfin, deux études de cas sont accomplies pour valider le flot de conception d'IDEA1. La performance de l'IEEE 802.15.4 est globalement évaluée pour diverses charges de trafic et configurations de paramètres de protocole. Une application de contrôle actif des vibrations est également étudiée. Les simulations d'IDEA1 trouvent le meilleur choix de protocoles de communication.

La nécessité de maximiser la durée de vie du réseau sans fil dans les réseaux ad hoc et en particulier dans les réseaux de capteurs sans fil nécessite l'utilisation d'algorithmes d'efficacité énergétique. Motivée par le fait qu'un noeud consomme le moins d'énergie lorsqu'il est en veille, nous réalisons l'efficacité énergétique vi des algorithmes d'ordonnancement des activités des noeuds. Les noeuds reçoivent des slots temporels durant lesquels ils peuvent transmettre et ils peuvent éteindre leur radio quand ils ne sont ni en train de transmettre, ni en train de recevoir. Par rapport au TDMA classique, l'utilisation de la bande passante est optimisée: deux noeuds interférents ne partagent pas les mêmes slots. Dans notre travail sur l'ordonnancement, deux cas sont étudiés. Tout d'abord, lorsque les nœuds nécessitent le même temps d'accès au canal, nous utilisons le coloriage des nœuds. Deuxièmement, lorsque les nœuds requièrent des débits hétérogènes, nous utilisons une allocation de slots " traffic aware ". Contrairement à la majorité des travaux antérieurs, nous généralisons la définition du coloriage des noeuds et les problèmes d'attribution des slots. En effet, nous considérons que la distance maximale entre deux nœuds interférents est un paramètre de ces problèmes. Nous prouvons qu'ils sont NP-complets, ce qui rend inévitable l'utilisation des heuristiques dans la pratique. Une directive centrale de cette thèse est de concevoir des solutions auto-adaptatives. Cette adaptabilité concerne de nombreux aspects tels que la mission confiée par l'application, l'hétérogénéité des demandes de trafic de nœuds, la densité du réseau, de la régularité de la topologie du réseau, et la non fiabilité des liens sans fil.

Les progrès technologiques réalisés dans le domaine de l'intégration de fonctions sur des surfaces de plus en plus petites a permis le développement de l'informatique diffuse, c'est-à-dire, intégrée dans notre espace et mise en œuvre par des objets du quotidien ou des structures spécifiques. Nous nous intéressons dans ce travail à ces structures couramment appelées " capteurs sans fil " car leur fonction est de capter des informations dans leur environnement et de les transmettre ensuite. Ces structures autonomes sont constituées d'un capteur, d'une partie numérique pour le traitement des données et la gestion de la structure, d'un système de communication et d'une alimentation. Afin d'être discrète, cette structure doit être de petite taille. Dans ce but, il est nécessaire que toutes ses composantes soient intégrées ensemble. L'antenne de la partie communicante est aujourd'hui un frein à cette intégration car les fréquences utilisées font qu'elle a des dimensions très supérieures à celles du reste de la structure et, même intégrée, ses propriétés vont être perturbées par le packaging de la structure. Autre point, ces antennes sont souvent omnidirectionnelles, ce qui, en termes d'économies d'énergie, cruciales dans ce domaine, n'est pas une solution optimale. Dans ce contexte, la première partie de ce rapport présente les applications envisagées et envisageables pour les réseaux de capteurs sans fil. Un historique puis un état de l'art sont ensuite proposés pour identifier les différentes stratégies mises en œuvre dans la conception de plates-formes ainsi que les acteurs académiques et industriels. Une synthèse vient justifier l'orientation à prendre dans le cadre de ce travail et clôt cette partie. La deuxième partie traite de la façon d'appliquer des réseaux d'antennes dans les réseaux de capteurs sans fil. L'idée étant d'utiliser les nœuds du réseau comme éléments du réseau d'antenne, créant ainsi un réseau où les éléments ne sont pas liés physiquement. Cette perspective est étudiée par le biais de deux scénarios caractéristiques des applications des capteurs sans fil. Dans chacun son application est testée et des solutions sont proposées et détaillées grâce à l'outil de calcul Matlab. Une partie finale discute des limitations pour utiliser les réseaux d'antennes dans les réseaux de capteurs sans fil. La dernière partie aborde la conception d'antennes spécifiques aux capteurs sans fil pour des applications en extérieur. Un concept d'antenne-package est présenté et développé sur différentes architectures d'antennes qui ont, de ce fait, des formes en volume. Des structures cubiques et sphériques sont proposées, conçues et simulées. L'attention se porte sur leur diagramme de rayonnement, leur robustesse et leur faculté à pouvoir garder leurs propriétés même placées dans un environnement et avec des composants placés à l'intérieur. Deux structures, une cubique et une demi-boule, présentent des profils intéressants, la deuxième étant un réseau d'antennes à elle-seule. Agile, elle permet de balayer tout le demi-espace supérieur qui l'entoure avec une bonne efficacité. Enfin, une partie conclusive montre la contribution apportée et propose des perspectives de travail en lien avec les antennes et plus généralement avec la partie communicante et l'architecture des nœuds.

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 (densité de noeuds, charge applicative, distribution des envois, délai en nombre de saut) et physiques (portée radio, zone de surveillance), la méthodologie de choix et le calcul des meilleures solutions de déploiement.

Dans ce travail de thèse, on s'intéresse é l'emploi de techniques de traitement de signal de systèmes de communication MIMO (Multiple Input Multiple Output) pour des applications aux réseaux de capteurs sans fil. Les contraintes énergétiques de cette classe de réseau font appel à des topologies particulières et le réseau peut être perçu comme étant un ensemble de grappes de nœuds capteurs. Ceci ouvre la porte à des techniques avancées de communication de type MIMO. Dans un premier temps, les différents aspects caractérisant les réseaux de capteurs sans fil sont introduits. Puis, les efforts engagés pour optimiser la conservation de l'énergie dans ces réseaux sont résumés. Les concepts de base de systèmes MIMOs sont abordés dans le deuxième chapitre et l'exploration par voie numérique de différentes pistes de la technologie MIMO sont exposées. Nous nous intéressons à des techniques de diversité de polarisation dans le cadre de milieux de communication riches en diffuseurs. Par la suite, des méthodes de type beamforming sont proposées pour la localisation dans les réseaux de capteurs sans fil. Le nouvel algorithme de localisation est présenté et les performances sont évaluées. Nous identifions la configuration pour la communication inter-grappes qui permet pour les meilleurs compromis entre énergie et efficacité spectrale dans les réseaux de capteurs sans fil. Finalement, nous envisageons la technique de sélection de nœuds capteurs afin de réduire la consommation de l'énergie dans le réseau de capteur sans fil.

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.

La prolifération des réseaux ad hoc mobiles, pair-à-pair et de capteurs ont encouragé le développement des concepts d'une informatique autonome avec potentiellement un large éventail d'applications. Or, la vulnérabilité inhérente de ces réseaux autonomes introduit de nouveaux challenges de sécurité, telles que des attaques internes menées par des entités malveillantes. Plusieurs de ces attaques sont difficiles à détecter et à contrarier en raison de leur comportement asymptotique au comportement de processus légitimes des systèmes en interaction. Par ailleurs, la limitation des ressources de certains réseaux autonomes (réseaux de capteurs sans fil, réseaux mobiles ad hoc) constitue un autre grand challenge pour leur robustesse qui englobe à la fois la tolérance aux défaillances et la sécurité. Dans ce contexte, nos travaux se sont articulés autour de deux axes de recherche qui se situent à deux limites de la connaissance contemporaine sur la sécurité des systèmes : la sécurité collaborative des systèmes complexes en interaction et la sécurité des systèmes à fortes contraintes de ressources. Nous nous sommes fixés comme objectif le développement de solutions algorithmiques aptes à satisfaire les besoins des utilisateurs en termes de performance et de robustesse tout en leur permettant de faire abstraction de la complexité sous-jacente. Nous avons démontré à travers nos travaux que l'interaction robuste et sécurisée entre ces systèmes atypiques est possible. Elle est possible grâce à une nouvelle appréhension de la sécurité basée sur la collaboration de processus de confiance, et la prévention à base de mécanismes proactifs de tolérance aux disfonctionnements. Nous avons mené une recherche à la fois scientifique, technologique et intégrative dans le cadre de projets pluridisciplinaires, qui s'inscrivent dans des domaines aussi variés que la santé, l'agriculture, la gestion du trafic urbain, les systèmes embarqués, les réseaux et la sécurité des échanges. L'évolution de nos axes de recherche est principalement motivée par la prise en compte de nouvelles évolutions technologiques et de leur usage, pour lesquelles nous proposerons des solutions algorithmiques de sécurité tout en optimisant les coûts inhérents. En l'occurrence, une évolution majeure qui s'inscrit dans la continuité des développements récents des technologies de l'information et de la communication et des systèmes embarqués, est " l'internet des objets (IdO)". Cette évolution technologique sera accompagnée d'une évolution des usages et de l'écosystème technologique environnant dans toute sa complexité. Nous allons montrer que cette nouvelle " technologie de rupture " à enjeux socioéconomiques importants suscite ses propres challenges de sécurité et de " privacy ". Nous présenterons une évolution de la thématique de sécurité de l'IdO en trois phases : la sécurité efficace pour une informatique embarquée miniaturisée, la sécurité et " privacy " centrée sur l'utilisateur selon le contexte, et une approche cognitive et systémique de la sécurité de l'IdO. En effet, nous montrerons que l'évolution des objets vers plus d'autonomie à percevoir et à agir sur l'environnement, accentuera les enjeux de la sécurité et de la " privacy ". En conséquence, la sécurité de l'Internet des objets devrait aussi évoluer vers plus d'autonomie perceptive et actionnelle en se basant sur une approche cognitive et systémique centrée sur les objets intelligents.

Le paradigme de l'Internet des Objets (IoT) envisage d'enrichir l'Internet actuel avec un grand nombre de dispositifs intelligents communicants. Les réseaux de capteurs sans fil (RCF) exploitent des appareils avec des ressources énergétiques limitées équipés de capteurs afin de récupérer en temps réel des mesures (comme la température, la radioactivité, ou le CO2). Les réseaux de capteurs sont particulièrement pertinents pour la surveillance, la télémétrie ou la prévention des catastrophes naturelles. Cependant, ce type de réseau pose des problèmes majeurs tels que l'utilisation efficace de ressources énergétiques limitées, la prise en charge transparente de nœuds défaillants, sans intervention humaine. L'Internet des Objets ne permettra d'intégrer des réseaux de capteurs autonomes que si les protocoles sont standards et passent à l'échelle. Les contributions de cette thèse sont les suivantes : * nous avons caractérisé expérimentalement un réseau radio multisaut en exploitant statistiquement un grand volume de mesures provenant d'une plate-forme expérimentale opérée par Orange. Notre analyse porte sur la caractérisation d'un lien et de sa qualité ainsi que de la dynamique du réseau. * nous avons proposé de modifier le standard IEEE 802.15.4 afin qu'il puisse cohabiter efficacement avec le protocole de routage actuellement standard de l'Internet des Objets, RPL. En particulier, nous proposons d'exploiter une structure de graphe dirigé acyclique afin d'exploiter une topologie maillée et pallier à la déficience éventuelle d'un nœud. Nous avons proposé également des algorithmes simples d'ordonnancement distribué des supertrames adaptés à cette topologie. * le choix des pères au niveau MAC dans une structure de graphe dirigé acyclique est déterminant dans la qualité des routes possibles dans la couche réseau. Nous avons ainsi proposé un algorithme de choix des pères basé sur plusieurs métriques. Nous aboutissons à une structure permettant d'équilibrer la charge, limitant les points de congestion, utilisant des liens radio de bonne qualité, limitant la congestion au niveau MAC. * nous avons enfin présenté des mécanismes permettant d'offrir une qualité de service dans une pile s'appuyant sur IEEE 802.15.4 et RPL. Notre extension de routage opportuniste et multi-chemin contribue à améliorer la livraison des paquets avant une date limite, tout en minimisant le surcout et la consommation d'énergie par rapport à la version originale de RPL.