Les réseaux de capteurs ont créé un domaine de recherche très intéressant avec un champs d'applications très large. L'assistance aux personnes est notamment une des nombreux champs potentiels. Les contraintes de ce type de réseaux sont nombreuses et nécessitent des mécanismes spécifiques. Les problématiques de consommation d'énergie et de sécurité sont particulièrement importantes et ont fait l'objet de travaux spécifiques. La thématique de l'assistance aux personnes impose notamment des contraintes de robustesse et de fiabilité des communications. Le but de ces travaux de recherche est de définir diverses solutions permettant de répondre à ces problématiques. Ces travaux se décomposent en trois parties. Dans un premier temps, une plate-forme de communications basée sur les réseaux personnels PAN a été définie. Cette plate-forme a été développée et intégrée dans une station de métro Parisienne. Une modélisation de cette plate-forme ainsi qu'une analyse des observations et des résultats issus de cette intégration nous ont permis d'identifier les faiblesses de l'architecture et des technologies mises en œuvre. Dans un deuxième temps, nous avons développé diverses solutions permettant de fiabiliser cette plate-forme. En particulier, nous avons conçu un algorithme d'ordonnancement permettant de réduire la consommation d'énergie dans les réseaux capteurs par l'utilisation d'une analyse sémantique des données. Nous avons ensuite proposé une architecture de sécurité, Tiny 3-TLS, qui permet de sécurisé les communications entre un capteur et une entité située sur un réseau disjoint. Enfin, nous nous sommes intéressés aux communications entre cette plate-forme et les terminaux mobiles. L'aspect fiabilité a en particulier fait l'objet de travaux spécifiques. C'est pourquoi dans un troisième temps, nous avons proposé une solution de routage définissant une nouvelle métrique. Nous avons ensuite proposé un protocole coopératif permettant un apport de fiabilité dans les communications

Lors du développement d'un nouvel avion, la phase précédant l'obtention du certificat de navigabilité est basée sur de nombreux essais au sol ou en vol. L'une des formes d'essai les plus délicates est la mesure de la pression de l'air autour de l'aile. Ces mesures permettent à la fois d'évaluer les deux composantes fondamentales de l'aérodynamisme que sont la portance et la trainée, de valider les résultats de simulation, et d'améliorer les données d'entrée des souffleries virtuelles pour les futurs développements. Dans le domaine spatial, le lancement est l'une des phases les plus critiques pour les systèmes. En effet, les structures doivent faire face à un stress mécanique et à des vibrations importantes qui ne doivent endommager ni le satellite ni les instruments embarqués. Des essais sol particulièrement rigoureux sont donc réalisés préalablement au lancement afin de vérifier que la charge utile ne sera pas endommagée. Des milliers de capteurs de pression ou de jauges de contrainte sont utilisés par les industriels du secteur pour ce type d'essais. Tous ces éléments sont aujourd'hui connectés entre eux par des fils. La première difficulté liée à cette forme d'installation est le poids supplémentaire imposé à la structure. Ce poids représentant une préoccupation importante en aéronautique, il est très délicat d'alourdir l'avion en ajoutant, le temps de l'essai, une quantité importante de câbles sur l'aile dans le seul but de connecter des capteurs entre eux. D'autres contraintes sont également associées au déploiement de ces réseaux de capteurs. La mise en place ces systèmes de mesure filaire engendre en effet un cout important, tant en raison du prix des câbles que de la très longue immobilisation de l'appareil nécessaire à l'installation du système. Cette dernière contrainte financière, très lourde, est de plus en plus difficile à supporter pour les industriels. Le remplacement des réseaux de mesure classiques par des réseaux de capteurs sans fil est une solution évidente aux différents problèmes soulevés. Cela permettrait également d'augmenter le nombre de points de mesure. Malgré le grand intérêt porté à la question des réseaux de capteur sans fil, les verrous technologiques sont encore très nombreux et il n'existe aujourd'hui aucun protocole permettant de répondre aux attentes et besoins des professionnels de l'aéronautique. Les protocoles classiques comme ZigBee ou Bluetooth ne permettent en effet d'atteindre, ni le débit nécessaire (plus de 100Mbits/s) ni le nombre de nœuds du réseau (plus de 800). Les travaux présentés dans cette thèse ont ainsi vocation à répondre aux besoins d'un canal de communication très haut débit, basse consommation, à faible puissance d'émission, fiable et autorisant un grand nombre de nœuds. Des mesures en conditions réelles effectuées à l'aide de circuits commerciaux reposant sur le protocole MB-OFDM/Wimedia, le standard le plus approchant du besoin exprimé, ont servi à la définition des bases de l'étude et ont permis de choisir des pistes de développement. Les mesures effectuées ayant démontré la spécificité de l'environnement de propagation, et n'ayant pas permis de définir un modèle de propagation suffisamment fiable, il est apparu nécessaire de recourir à un flot de conception utilisant des outils de synthèse de code automatique. Ce mode de développement, relativement original dans un contexte de recherche, a permis d'identifier précisément les besoins matériels nécessaires à la conception du démonstrateur, et de réduire considérablement le délai entre le choix des algorithmes et leurs tests en conditions réelles. La couche physique développée est basée sur un système OFDM ultra large bande permettant d'atteindre un débit de plus de 150 Mbits/s. Un démonstrateur parfaitement fonctionnel, implémenté sur FPGA et composé de quatre nœuds communicants a été réalisé et a permis de valider la couche physique. Enfin sont présentées des pistes pour le développement d'un ASIC numérique permettant d'atteindre l'objectif de faible consommation.

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.

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.

Les réseaux de capteurs sans fil (WSN) ont attiré un grand intérêt dans la dernière décennie, et ont apporté des solutions dans un nombre croissant d'applications. Toutefois, certaines d'entre elles restent irréalisables en raison de forts points de blocage non résolus, comme un manque de synchronisation entre les prises de mesures, ainsi que des débits de données trop faibles. Ce travail apporte une solution à ces deux points majeurs via la conception d'un noeud communicant sans fil spécifique. Celle ci, basée sur la conception croisée, utilise les propriétés temporelles des modulations UltraLarge Bande (UWB) pour permettre une synchronisation très précise ainsi qu'un débit de données élevé. Notre démonstrateur ASIC basé sur ces travaux permet une précision de synchronisation de 2 ns pour une modulation IR-UWB sur une bande passante de 1,5 GHz. Cette thèse décrit le protocole de synchronisation WiDeCS et la conception de deux preuves de concept fonctionnelles sur FPGA et ASIC.

Les travaux de recherche de cette thèse s'inscrivent dans le cadre de la sécurité par chaos des réseaux locaux sans fil, en particulier les réseaux de capteurs sans fil. L'originalité de cette thèse consiste à proposer des cryptosystèmes à base de chaos plus adaptés aux réseaux de capteurs, en termes de consommation d'énergie, que les algorithmes conventionnels et à réaliser une implémentation sur une plateforme réelle. Nous présentons en premier lieu un état de l'art des réseaux, les menaces, les contraintes limitant le processus de sécurité des informations ainsi que les principales techniques de cryptographie. Nous donnons un aperçu sur la théorie de chaos et nous validons l'aspect aléatoire de plusieurs suites chaotiques par les tests statistiques du NIST. Nous proposons ensuite des nouvelles méthodes de construction de S-Box chaotiques tout en prouvant leur robustesse contre les attaques traditionnelles. Nous proposons enfin un nouvel algorithme de cryptage d'image dédié au réseau de capteurs sans fil. La validation de nos contributions est effectuée par simulation et par des mesures expérimentales sur une plateforme de réseaux de capteurs réels (SensLab).

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

L'apparition récente de petits capteurs peu couteux fonctionnant sur batteries, capables de traiter les données acquises et de les transmettre par ondes radio ont le potentiel de révolutionner les applications de surveillance traditionnelles. Les réseaux sans fils composés de nœuds capteurs autonomes proches de la cible à surveiller permettent des tâches de surveillance précises allant du contrôle de la température dans des bâtiments jusqu'a la détection de feux de forêt. Récemment, de nouvelles applications de réseaux de capteurs sans fil telles que des applications multimédia ou dans le domaine de la santé ont émergé. Les réseaux sous-jacents déployés pour ces applications sont souvent compos'es de nœuds hétérogènes comportant différents capteurs et doivent fournir un niveau de service conforme aux exigences des différents types de trafic en s'adaptant à la charge variable. Cependant, concevoir des protocoles efficaces adaptés à ces applications tout en s'accommodant des ressources limitées des réseaux de capteurs est une tâche difficile. Dans cette thèse, nous nous focalisons sur le support de la qualité de service au niveau de la couche MAC, car cette couche conditionne et détermine largement les performances du réseau étant donné qu'elle est responsable de l'organisation de l'accès au canal. Dans un premier temps, nous étudions les contraintes spécifiques des applications ayant des exigences fortes ainsi que des applications hétérogènes et nous examinons les travaux proposés dans la littérature. Etant donné l'inadéquation des solutions existantes en présence d'un trafic important, nous proposons AMPH, un protocole MAC adaptatif avec qualité de service pour les réseaux de capteurs sans fil hétérogènes. Notre solution consiste en une méthode d'accès au canal hybride basée sur le multiplexage temporel, dans laquelle tous les nœuds peuvent accéder au canal à chaque division de temps en utilisant un nouveau mécanisme de compétition qui favorise le trafic prioritaire. Grâce à ces techniques, AMPH utilise efficacement le canal quelque soit la charge de trafic et assure une latence faible au trafic temps réel. Nous vérifions les performances d'AMPH à l'aide de simulations et d'un modèle mathématique.

Ces dernières années, nous avons assisté à l'apparition des réseaux sans fil multi-sauts. Avec des capacités distinctes, des caractéristiques différentes et des applications cibles variées, nous pouvons identifier les réseaux de capteurs (WSNs) et plus récemment les réseaux de capteurs et actionneurs (WSANs). Ces derniers sont des réseaux auto-organisés et ils sont constitués d'un grand nombre de noeuds capteurs autonomes à faible ressources (capacité de calcul, de mémoire, de puissance d'émission, etc...) et un nombre moins important de noeuds actionneurs disposant généralement d'une source d'énergie abondante. Les fonctions de calcul et de communication au niveau des actionneurs peuvent donc profiter de cette richesse en énergie : par conséquent les capacités de calcul et de stockage ainsi que la puissance de transmission au niveau des actionneurs sont plus importantes. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés aux réseaux urbains considérés par le projet ANR ARESA2 qui sont principalement des réseaux de capteurs et actionneurs hétérogènes : l'hétérogénéité est causée par la coexistence des noeuds capteurs à faibles ressources et des noeuds actionneurs riches en ressources. Ces derniers devraient être utilisés de manière différenciée par le réseau. C'est dans ce contexte que se déroule cette thèse dans laquelle nous avons étudié des algorithmes d'autoorganisations et de routage s'appuyant sur l'hétérogénéité. Au début, nous nous sommes intéressés à l'auto-organisation dans un contexte hétérogène. Se basant sur l'idée que les ressources au niveau des noeuds actionneurs doivent être exploitées afin de réduire la charge de communication au niveau des noeuds capteurs, nous avons proposé un protocole d'auto-organisation appelée Far-Legos. Far-Legos permet de profiter de la puissance d'émission des actionneurs pour apporter une information de gradient au niveau des capteurs. Les actionneurs initient et construisent une topologie logique. Cette dernière sera utilisée pour faciliter la phase de collecte de données à partir des noeuds capteurs vers les noeuds actionneurs. Ensuite, nous nous sommes intéressés aux liens asymétriques causés par la présence de différents types de noeuds avec différentes portées de transmission. Ces liens asymétriques, causés par l'hétérogénéité au niveau des noeuds constituant le réseau, peuvent détériorer les performances des protocoles de routage qui ne tiennent pas compte de ce type de liens. Pour éviter la dégradation de ces protocoles de routage, nous introduisons une nouvelle métrique de calcul de gradient ou de rang. Celle-ci sera utile pour détecter et éviter les liens asymétriques au niveau de la couche réseau pour le protocole de routage RPL. Nous présentons aussi une adaptation du protocole de collecte de données basé sur Legos pour détecter et éviter ces liens asymétriques. Enfin, nous nous sommes intéressés à l'exploitation de ces liens asymétriques. Nous proposons ainsi un protocole de collecte de données dédiés aux réseaux hétérogènes contenant des liens asymétriques appelé AsymRP. AsymRP est un protocole de routage dédié au trafic de collecte de données basé sur une connaissance de voisinage à 2-sauts combinée avec l'utilisation des messages d'acquittements (ACKs) implicites et une technique de routage de messages ACKs explicites. Cette proposition tire profit des liens asymétriques afin d'assurer une collecte de données fiable.

La gestion de la consommation énergétique est une question incontournable lors la conception et la mise en œuvre d’un RCSF. Garantir un fonctionnement efficace avec un accroissement de la longévité du réseau en se limitant uniquement à une solution matérielle reste insuffisant. Il est donc nécessaire de se tourner vers d’autres solutions logicielles qui permettraient de maitriser l’exploitation de l’information dès sa source jusqu’à son acheminement vers sa destination finale en tenant compte des caractéristiques intrinsèques des capteurs, i.e., faibles capacités de stockage et de puissance de calcul, et contraintes énergétiques associées. Répondre en partie à ces besoins, passe par le développement d’outils informatiques et de stratégies protocolaires en modes basse consommation mettant en œuvre des mécanismes basés sur des techniques de routage d’informations. Dans cette thèse, nous proposons deux solutions protocolaires hiérarchisées HHRP et HRP-DCM. La première met en œuvre un mécanisme de routage adaptatif à base d’un modèle énergétique non linéaire et d’un concept de communication Fils-Parent pour la sélection des meilleurs chemins en tenant compte d’un ensemble de paramètres critiques tels que les distances source-cible, la puissance du signal et l’énergie consommée. Or, la phase de reconnaissance du voisinage nécessite l’utilisation de la puissance des signaux radio pour estimer les distances entre nœuds capteurs, ce qui est un inconvénient majeur puisque cela peut engendrer des dégradations sur les performances du routage et des erreurs d’estimation des mesures RSSI. Ces dernières ne sont exploitables pour la localisation des nœuds qu’au bout d’un certain temps vu que la stabilité du signal n’est garantie que tardivement. Ainsi, le temps alloué pour la phase de reconnaissance devient important, accélérant de ce fait la consommation d’énergie et donc minimise la durée de vie du réseau. Pour y remédier, nous proposons une alternative qui contourne l’utilisation de la puissance du signal RSSI à tous les niveaux du mécanisme en mettant en œuvre une approche de routage hybride basée sur un mécanisme de clusterisation dynamique HRP-DCM. Cette solution permet des améliorations non seulement lors de la phase de reconnaissance du réseau mais aussi sur l’optimisation des chemins lors de la communication. Elle utilise le concept de calcul des distances temporelles lors du déploiement du réseau ainsi les délais alloués à la phase d’initialisation sont raccourcis atténuant de fait la consommation énergétique et l’exploitation des ressources. L’évaluation des performances montre bien que HRP-DCM optimisent mieux le fonctionnement du réseau quelque soit sa densité comparativement à d’autres solutions telles que HHRP TEEN et LEACH. / Managing energy consumption is an unavoidable issue for a WSN design and implementation. Focusing lonely on a hardware solution to ensure an efficient of a running network while increasing its lifetime remains insufficient. It is therefore necessary to turn towards other software solutions that enable a better control of information processing from its source until its final destination by taking into account intrinsic characteristics of sensors, such as low storage and computing capabilities and associated energy constraints. A partial response to these needs requires the development of IT tools and protocolar strategies in low-power modes by implementing mechanisms based on information routing techniques. In this thesis, we propose and develop two hierarchized protocolar solutions HHRP and HRP-DCM. The first one implements an adaptive routing mechanism based on a nonlinear energy model and a concept of communication Son-Parent for a best paths selection by taking into account a set of critical parameters such as distance source-target, signal strength and energy consumption. However, the vicinity recognition phase requires the use of RSSI radio signals to estimate distances between sensor nodes. This can be considered as a major drawback since it may cause damage on routing performances and estimation error on RSSI measurements. These latters can be used for locating nodes only after a while since the stability of RSSI signal is guaranteed only belatedly Thus, the allocated time for recognition phase becomes significant, speeding up thereby energy consumption and thus reduces the lifetime of the network. In this context, we propose an alternative that bypasses the use of RSSI power signal in different levels of HHRP mechanism by implementing a hybrid routing approach based on a dynamic clustering mechanism HRP-DCM. This solution allows improvements in recognition and in paths optimization phases, both. It uses the concept of temporal distances calculation during network deployment. Thus, allocated time for network initialization is shortened mitigating in fact energy consumption and resources exploitation. Performance evaluation shows that HRP-DCM optimizes better network whatever its density compared to other solutions such as HHRP, TEEN and LEACH routing protocols.