La tendance actuelle des réseaux de capteurs sans fil est d'avoir un seul réseau supportant plusieurs applications et fournissant plusieurs QoS. Dans cette thèse, nous étudions les techniques de cross-layering afin d'améliorer les performances et de fournir de la QoS. Tout d'abord, nous généralisons le concept de la méthode d'accès MaCARI en proposant une architecture multi-couches où plusieurs combinaisons de protocoles MAC-routage sont utilisées. Une file d'attente est associée à chaque combinaison, et chaque combinaison est activée pour une période précise. Le but est de profiter de ces combinaisons pour offrir différentes QoS. Cependant, cette architecture cause un problème de dimensionnement des périodes, ce qui a un impact sur les performances du réseau. Nous proposons, ensuite, des techniques de cross-layering en échangeant les paquets entre les différentes files d'attente afin de résoudre le problème de dimensionnement. Durant sa période, chaque combinaison traite tous les paquets de sa file d'attente ainsi que les paquets des files d'attente d'autres périodes. Nous montrons par simulation que notre approche améliore les performances du réseau.

Les réseaux de capteurs sans fils se définissent comme un ensemble de petits appareils autonomes et interconnectés. Ces capteurs sont déployés dans une zone d'intérêt dans le but de collecter des informations de l'environnement comme la température ou la qualité de l'air, suivant l'application envisagée. L'évolution de ces dispositifs de capture vers le multimédia ouvre l'accès à une plus large palette d'applications et de services pour une meilleure maitrise de notre environnement. Dans cette thèse nous nous intéressons au suivi de cible mobile dans les réseaux de capteurs sans fils, certains de ces capteurs pouvant collecter des images. Le suivi de cible (Tracking) consiste à détecter et à localiser sur l'ensemble de sa trajectoire une cible traversant une zone d'intérêt. Cette application peut s'avérer très utile, par exemple, pour détecter et enregistrer les déplacements d'un intrus dans une zone sensible ou encore pour suivre les déplacements d'une personne assistée et munie d'un appareil avec interface radio. Contrairement aux systèmes de surveillance classiques qui nécessitent une infrastructure fixe, les réseaux de capteurs sans fils sont aussi faciles à installer qu'à désinstaller. De plus, grâce à leur polyvalence, ils peuvent être utilisés dans de nombreux environnements hostiles et inaccessibles pour l'être humain. Toutefois, étant restreints en énergie, ils ne peuvent rester actifs en permanence au risque de limiter considérablement leur durée de vie. Afin de résoudre ce problème, l'idée est d'activer uniquement les capteurs qui sont sur la trajectoire de la cible au moment ou cette dernière est à leur portée radio ou visuelle. La question est donc : comment et sur quels critères activer ces capteurs afin d'obtenir à tout moment le meilleur compromis entre la précision du suivi et la préservation des ressources énergétiques ? C'est à cette question que nous essayerons de répondre tout au long de cette thèse. Dans un premier temps nous nous intéressons aux cibles communicantes qui ont la faculté d'émettre des signaux et donc de faciliter grandement le processus de suivi. Le défi ici est de relayer l'information entre les différents capteurs concernés. Nous utilisons pour cela un algorithme de déploiement basé sur le concept de forces virtuelles (VFA : Virtual Forces Algorithm) associé à un algorithme de suivi collaboratif et distribué implémenté sur un réseau organisé en clusters. Ensuite, nous traitons le cas, plus complexe et plus fréquent, des cibles non communicantes. L'objectif est de détecter la présence de la cible uniquement à l'aide de capteurs de présence. Pour cela nous proposons le déploiement d'un réseau de capteurs sans fil hétérogènes composé decapteurs de mouvement en charge de la partie détection de la cible et de capteurs vidéo en charge de la partie localisation. Lorsqu'une cible est détectée par un capteur de mouvement, l'information est communiquée aux capteurs vidéo voisins qui décident d'activer ou non leurs caméras en se basant sur des critères prédéfinis tenant compte de l'angle d'orientation des caméras. Enfin, dans une dernière contribution nous nous intéressons plus spécifique mentaux modèles de mobilité de la cible. Ces modèles nous permettent d'anticiper ses déplacements et d'affiner le processus d'activation des capteurs qui sont sur sa trajectoire. Nous utilisons pour cela le filtre de Kalman étendu combiné à un mécanisme de détection de changements de direction nommé CuSum (Cumulative Summuray). Ce mécanisme nous permet de calculer efficacement les futures coordonnées de la cible et de réveiller les capteurs en conséquence / Wireless Sensor Networks (WSN) are a set of tiny autonomous and interconnected devices. These Sensors are scattered in a region of interest to collect information about the surrounding environment depending on the intended application. Nowadays, sensors allow handling more complex data such as multimedia flow. Thus, we observe the emergence of Wireless Multimedia Sensor Networks opening a wider range of applications. In this work, we focus on tracking moving target in these kinds of networks. Target tracking is defined as a two-stage application: detection and localization of the target through its evolution inside an area of interest. This application can be very useful. For example, the presence of an intruder can be detected and its position inside a sensitive area reported, elderly or sick persons carrying sensors can be tracked anytime and so on. Unlike classical monitoring systems, WSN are more flexible and more easy to set up. Moreover, due to their versatility and autonomy they can be used in hostile regions, inaccessible for human. However, these kinds of networks have some limitations: wireless links are not reliable and data processing and transmission are greedy processes in term of energy. To overcome the energy constraint, only the sensors located in target pathway should be activated. Thus, the question is : how to select these sensors to obtain the best compromise between the tracking precision and the energy consumption? This is the question we are trying to answer in this dissertation. Firstly, we focus on communicating targets which have the ability to transmit signals and greatly facilitate the tracking process. The challenge here is to relay the information between the concerned sensors. In order to deal with this challenge, we use a deployment strategy based on virtual forces (VFA: Virtual Forces Algorithm) associated to a distributed tracking algorithm implemented in a cluster-based network. Secondly, we handle a more complex and more frequent case of non-communicating targets. The objective is to detect the presence of such target using movement sensors. We propose the deployment of an heterogeneous wireless sensor networks composed of movement sensors used to detect the target and camera sensors used to locate it. When the target is detected the information is sent to the camera sensors which decide whether to activate or not their cameras based on probabilistic criteria which include the camera orientation angle. Finally, as our last contribution, we specifically focus on target mobility models. These models help us to predict target behaviour and refine the sensor activation process. We use the Extended Kalamn filter as prediction model combined with a change detection mechanism named CuSum (Cumulative Summuray). This mechanism allows to efficiently compute the future target coordinates, and to select which sensors to activate

La collecte de données par des réseaux de capteurs autonomes mobiles peut être couplée à l’utilisation de drones qui constituent une solution de backahauling facilement déployable à faible coût. Ces moyens de collecte peuvent servir lors de l’organisation d’évènements temporaires (sportifs ou culturels) ou encore pour mener des opérations dans des terrains difficiles d’accès ou hostiles. L’objectif de cette thèse est de proposer des solutions efficaces pour la communication à la fois entre capteurs mobiles au sol et sur la liaison bord-sol. A ces fins, nous nous intéressons à l’ordonnancement des communications, au routage et au contrôle de l’accès sur la liaison capteurs/drone, le collecteur mobile. Nous proposons une architecture répondant aux contraintes du réseau. Les principales sont l’intermittence des liens et donc le manque de connexité pour lesquelles des solutions adaptées aux réseaux tolérants aux délais sont adoptées. Vu la limitation des opportunités de communication avec le drone et la variation importante du débit physique, nous avons proposés des solutions d’ordonnancement qui tiennent compte à la fois des durées de contact que du débit physique. Le routage opportuniste est également fondé sur ces deux critères à la fois pour la sélection des nœuds relais que pour la gestion des files d’attente. Nous avons souhaité limiter l’overhead et proposer des solutions efficaces et équitables entre capteurs mobiles au sol. Les solutions proposées ont montré leur supériorité par rapport aux solutions d’ordonnancement et de routage classiques. Nous avons enfin, proposé une méthode d’accès combinant un accès aléatoire avec contention ainsi qu’un accès avec réservation tenant compte des critères précédemment cités. Cette solution flexible permet à un réseau de capteurs mobiles denses de se rapprocher des performances obtenues dans un mode oracle. Les solutions proposées peuvent être mises en œuvre et appliquées dans différents contextes applicatifs pour lesquels les nœuds au sol sont mobiles ou aisément adaptées au cas où les nœuds sont statiques. / Data collection by autonomous mobile sensor arrays can be coupled with the use of drones which provide a low-cost, easily deployable backhauling solution. These means of collection can be used to organize temporary events (sporting or cultural) or to carry out operations in difficult or hostile terrain. The aim of this thesis is to propose effective solutions for communication between both mobile sensors on the ground and on the edge-to-ground link. For this purpose, we are interested in scheduling communications, routing and access control on the sensor / drone link, the mobile collector. We propose an architecture that meets the constraints of the network. The main ones are the intermittence of the links and therefore the lack of connectivity for which solutions adapted to the networks tolerant to the deadlines are adopted. Given the limited opportunities for communication with the drone and the significant variation in the physical data rate, we proposed scheduling solutions that take account of both the contact time and the physical flow rate. Opportunistic routing is also based on these two criteria both for the selection of relay nodes and for the management of queues. We wanted to limit the overhead and propose efficient and fair solutions between mobile sensors on the ground. The proposed solutions have proved superior to conventional scheduling and routing solutions. Finally, we proposed a method of access combining a random access with contention as well as an access with reservation taking into account the aforementioned criteria. This flexible solution allows a network of dense mobile sensors to get closer to the performance obtained in an oracle mode. The proposed solutions can be implemented and applied in different application contexts for which the ground nodes are mobile or easily adapted to the case where the nodes are static.

Ce travail de recherche vise à concevoir un système de vision à faible consommation d'énergie pour les réseaux de capteurs sans fil. L'imageur en question doit respecter les contraintes spécifiques des applications multimédias pour les réseaux de capteurs de vision sans fil. En effet, de par sa nature, une application multimédia impose un traitement intensif au niveau du noeud et un nombre considérable de paquets à échanger à travers le lien radio, et par conséquent beaucoup d'énergie à consommer. Une solution évidente pour diminuer la quantité de données transmise, et donc la durée de vie du réseau, est de compresser les images avant de les transmettre. Néanmoins, les contraintes strictes des noeuds du réseau rendent inefficace en pratique l'exécution des algorithmes de compression standards (JPEG, JPEG2000, MJPEG, MPEG, H264, etc.). Le système de vision à concevoir doit donc intégrer des techniques de compression d'image à la fois efficaces et à faible complexité. Une attention particulière doit être prise en compte en vue de satisfaire au mieux le compromis "Consommation énergétique - Qualité de Service (QoS)". / This research aims to develop a vision system with low energy consumption for Wireless Sensor Networks (WSNs). The imager in question must meet the specific requirements of multimedia applications for Wireless Vision Sensor Networks. Indeed, a multimedia application requires intensive computation at the node and a considerable number of packets to be exchanged through the transceiver, and therefore consumes a lot of energy. An obvious solution to reduce the amount of transmitted data is to compress the images before sending them over WSN nodes. However, the severe constraints of nodes make ineffective in practice the implementation of standard compression algorithms (JPEG, JPEG2000, MJPEG, MPEG, H264, etc.). Desired vision system must integrate image compression techniques that are both effective and with low-complexity. Particular attention should be taken into consideration in order to best satisfy the compromise "Energy Consumption - Quality of Service (QoS)".

Les réseaux de capteurs sont composés d'une multitude de petits composants capables de recueillir des informations concernant leur environnement. Ces equipements sont à même de communiquer entre eux afin de s'organiser pour former un réseau. L'utilisation d'un réseau de capteurs permet de remplir de nombreuses tâches comme les services d'aide aux personnes âgées ou la surveillance des paramètres de santé de patients hospitalisés ou, dans un cadre plus large, nécessitant un suivi médical régulier. Les données collectées peuvent être d'ordre physiologiques ou environnementales. Cette opération s'ajoute aux visites d'un personnel soignant, pour effectuer un complément de suivi plus régulier et à long terme, en particulier pour des patients évoluant dans un contexte peu ou non médicalisé. Notre objectif est donc ici de fournir des solutions économes en énergies et fiables pour permettre aux capteurs de s'adapter automatiquement et dynamiquement à leur environnement. / Wireless sensor networks are composed many tiny devices able to retrieve informations about their physical environment. Those components are also able to communicate between them, in order to organize themselves into a network. Many tasks can benefit from the use of a wireless sensor network, such as elder home care and telemedicine. Collected data range from physiological to environmental readings. The wireless sensor network operation is complementary to medical personnel visitations and provide regular long-term patient monitoring. Our goal is to provide solutions that, in this context, adapt themselves automatically and dynamically to their environment.

Les réseaux de communication inter-machines font partie des grandes évolutions de l'informatique contemporaine. Ces réseaux évolutifs promettent une nouvelle gamme de services et une meilleure connaissance du monde qui nous entoure. Pourtant, ils subissent plusieurs limitations de par la nature même des nœuds qui les composent : un débit faible et une fiabilité réduite dues aux contraintes en termes de capacité de calcul et de mémoire, une durée de vie limitée, ainsi que des délais non bornés souvent causés par des taux de perte élevés. Ces mêmes problématiques constituent, depuis une quinzaine d'années, un frein au déploiement à large échelle des réseaux de capteurs dans le monde réel. De récents développements dans la théorie de l'information sont finalement en train de bouleverser l'ordre établi, donnant naissance à une nouvelle approche connue sous le nom de théorie du codage réseau. Cette nouvelle façon d'acheminer l'information transforme les méthodes d'exploitation, de gestion et même la compréhension des réseaux de communications actuels et futurs. C'est dans ce contexte, que nous proposons dans cette thèse d'étudier l'impact, les bénéfices et la faisabilité du codage réseau dans les réseaux de capteurs sans fil. L'objectif étant de montrer l'intérêt d'exploiter ses concepts pour les différents paradigmes propres aux réseaux inter-machines en général, et aux réseaux de capteurs en particulier. Il s'agit dans un premier temps d'évaluer les apports prospectifs du codage réseau, qu'il soit linéaire ou opportuniste, strictement en termes de performances (i.e., latence et débit). Dans une seconde partie, nous poursuivrons notre étude en traitant de l'impact du codage réseau sur la fiabilité des réseaux de capteurs, ces derniers étant caractérisés par l'absence de mécanismes de contrôle de flux de bout-en-bout. Dans une dernière contribution, nous explorons la faisabilité dans une plateforme réelle, d'un mécanisme de codage réseau contraint spécifiquement conçu pour les réseaux à faible débit. Ce code opportuniste, est centré sur l'optimisation mémoire et l'efficacité énergétique. Il permet à la fois, d'améliorer les performances du réseau mais aussi sa fiabilité. De manière plus générale, cette thèse se présente comme une réponse à la question : « Quel type de codage, pour quels réseaux de capteurs ? » Elle ne prétend pas être l'unique réponse, mais propose néanmoins des briques théoriques et technologiques qui illustrent à la fois, la faisabilité du codage réseau dans les réseaux contraints, mais aussi la nécessité de l'adapter à leurs critères / Today, it is likely that Machine-to-machine (M2M) architectures are the future of computer networks. These communication systems promise new strains of pervasive services and a better awareness of the world around us. However, they suffer several limitations caused by the very nature of their components: a low data-rate, unreliable transmissions, limited storage and processing capabilities, finite lifespan and unpredictable delays often caused by a high packet loss rate. These are the same issues that are still preventing, since the late eighties, the awaited large-scale deployment of wireless sensor networks in the world of telecommunications. Recent developments in the Information Theory are finally bringing a wind of change on the common ways of considering data communications, via a new concept known as the Network Coding Theory. This new data delivery approach is transforming the way we operate, manage and even understand existing and future communications networks. In this context, we propose in this thesis to study the impact, benefits and feasibility of network coding in wireless sensor networks. Our goal is to evaluate the cost/benefit value of its practical concepts for different M2M network paradigms in general, and for sensor networks in particular. Primarily, we assess the potential impact of opportunistic and linear network coding on sensor networks strictly in terms of performance (i.e., data rate and latency). Then we address the problem of reliable communications in coded sensor networks, since such systems are characterized by the absence of end-to-end flow control mechanisms. In the last chapter, we explore the feasibility of network coding in a real testbed. We investigate how an innovative coding technique specifically designed for low-power/low-rate networks can use opportunistic coding to enhance the performance and the reliability of the network. More broadly, this thesis presents one answer to the question: “Which network coding for what sensor network?” It does not claim to be the sole answer to this issue, but rather a series of theoretical and technological blocks that denote both the feasibility of network coding in constrained environments and also the need to adapt it to their particular criteria

Dans cette thèse, nous nous intéressons à cette gestion des données dans les réseaux de capteurs sans fil intégrés dans un contexte IoT. Plus précisément, nous aborderons la problématique du stockage des données au sein même du réseau de capteurs en se posant la question suivante : Comment stocker provisoirement les données dans le réseau de capteurs de sorte que ces données soient facilement accessible par les consommateurs tout en assurant le meilleur compromis entre la fiabilité de livraison des donnés et la préservation des ressources énergétiques des capteurs ?Il s'agit dans un premier temps de proposer un système fiable de stockage de données basé sur la théorie du codage réseau et sur le modèle de communication « Publish/Subscribe ». Le système proposé est adapté à l'architecture des réseaux de capteurs ainsi qu'aux besoins des applications et services IoT localisés. Pour démontrer la validité du système de stockage proposé, des évaluations de performances au travers d'une analyse mathématique et de simulations sont conduites. Celles-ci montrent clairement une augmentation de la fiabilité de la livraison des données aux consommateurs avec un taux de livraison des paquets de 80% en moyenne. Afin d'améliorer encore plus les performances du système de stockage de données, nous proposons, dans un second temps, l'optimisation du système afin que celui-ci puisse réaliser le stockage des données de manière adaptative et autonome, tout en assurant le meilleur compromis entre fiabilité et coût. Ce dernier se traduit par l'impact du système de stockage sur la consommation d'énergie du réseau de capteurs sans fil. À notre connaissance, notre système est le premier à proposer d'assurer la fiabilité du stockage des données en fonction des demandes des services et des conditions du réseau. L'évaluation des performances, par simulation, de notre système de stockage adaptatif et autonome montre que l'optimisation du stockage des données (formulée sous forme d'un processus de décision Markovien (MDP)) selon les conditions de fonctionnement du réseau permet l'accès à 70% de données en plus comparativement au système non-adaptatif proposé précédemment. Ce résultat est obtenu tout en augmentant la durée de vie du réseau de 43%.Après avoir travaillé sur l'aspect quantitatif des performances du réseau à travers une étude sur le compromis coût - consommation énergétique, nous nous intéresserons dans la troisième contribution de cette thèse à l'utilisation de notre système de stockage dans des réseaux de capteurs sans fil disposant de cycles de services (cycle d'endormissement-réveil) variables. Aujourd'hui, les réseaux de capteurs reposant sur le standard 802.15.4 peuvent utiliser des cycles de services variables et avoir recours à l'endormissement des nœuds dans le but d'économiser leur énergie. Dans une première partie de cette contribution, nous avons ainsi proposé une amélioration du mécanisme de gestion du cycle de service (duty cycle) du standard 802.15.4 afin de le rendre dynamique et adaptable au trafic réseau. L'évaluation des performances par simulations de l'amélioration proposée montre que celle-ci aboutit à une économie d'énergie très significative tout en permettant au réseau de capteurs sans fil de remplir sa mission de prise en charge du trafic généré. Dans une seconde partie de cette contribution, nous évaluons les performances de notre système de stockage de données dans le but d'évaluer si un tel mécanisme pourrait cohabiter positivement avec un mécanisme de cycle de service variable (condition d'exploitation réaliste du réseau). L'évaluation des performances montre que l'activation d'un cycle de service variable dans le réseau de capteurs n'apporte aucune amélioration au niveau de la consommation énergétique mais que le compromis optimal entre la fiabilité et la consommation énergétique obtenu par notre système de stockage adaptatif et autonome n'est pas non plus affecté, celui-ci est maintenu / Wireless Sensor Networks (WSN) are made up of small devices limited in terms of memory, processing and energy capacity. They work interconnected and autonomously in order to monitoring a region or an object of interest. The evolution in the development of devices more powerful (with new capability such as energy harvesting and acting) and less expensive made the WSNs a crucial element in the emergence of Internet of Things (IoT). Nonetheless, assuming the new applications and services offered in the IoT scenario, new issues arise in the data management performed in the WSNs. Indeed, in this new context, WSNs have to deal with a large amount of data, now consumed on-demand, while ensure a good trade-off between its reliability and retrievability, and the energy consumption. In the scope of this thesis, we are interested in the data management in the WSN in the context of IoT realm. Specifically, we approach the problem of in-network data storage by posing the following question: How to store data for a short term in the WSNs so that the data could be easily retrieved by the consumers while ensuring the best trade-off between data reliability and conservation of energy resources? Foremost, we propose a reliable data storage scheme based on coding network, and assuming a communication model defined by the Publish/Subscribe paradigm. We validate the efficiency of our proposal by a theoretical analyses that is corroborate by a simulation evaluation. The results show that our scheme achieves a reliability of 80% in data delivery with the best cost-benefit compared to other data storage scheme. Aiming to further improve the performance of the data storage scheme proposed in our first contribution, we propose its optimization (modeling it as a Markov Decision Process (MDP)) in order to store data with optimal trade-off between reliability and communication overhead (in this context, also seen as energy consumption), and in an autonomously and adaptive way. For the best of our knowledge, our optimized data storage scheme is the only to ensure data reliability while adapt itself according to the service requirements and network condition. In addition, we propose a generalization of the mathematical model used in our first contribution, and a system model that defines the integration of WSNs performing our data storage scheme in the context for which it was envisaged, the IoT realm. Our performance evaluation shows that our optimization allows the consumers to retrieve up to 70% more packets than a scheme without optimization whereas increase the network lifetime of 43%.Finally, after being interested in finding the best trade-off between reliability and cost, we now focus on an auxiliary way to reduce the energy consumption in the sensor nodes. As our third contribution, we propose a study, in two parts, to measure how much a node activity scheduling can save energy. First, we propose an improvement in the duty cycle mechanism defined in the 802.15.4. Then, we propose a duty cycle mechanism introduced into our data storage scheme aiming at saving energy in the storage nodes. The simulation results show that our solution to the duty cycle mechanism in 802.15.4 led in considerable saving in energy costs. However, regarding duty cycle in our data storage scheme, it did not end up in more energy saving. Actually, as our optimized scheme already saves as much resource energy as possible while ensuring high reliability, the duty cycle mechanism can not improve the energy saving without compromise the data reliability. Nonetheless, this result corroborates that our scheme, indeed, performs under the optimal trade-off between reliability and communication overhead (consumption energy)

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

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

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