Au cours des dernières années, les réseaux de capteurs ont été de plus en plus utilisés dans différents contextes d’application allant de la surveillance de l’environnement au suivi des objets en mouvement, au développement des villes intelligentes et aux systèmes de transport intelligent, etc. Un réseau de capteurs est généralement constitué de nombreux dispositifs sans fil déployés dans une région d'intérêt. Une question fondamentale dans un réseau de capteurs est l'optimisation de sa couverture spatiale. La complexité de l'environnement de détection avec la présence de divers obstacles empêche la couverture optimale de plusieurs zones. Par conséquent, la position du capteur affecte la façon dont une région est couverte ainsi que le coût de construction du réseau. Pour un déploiement efficace d'un réseau de capteurs, plusieurs algorithmes d'optimisation ont été développés et appliqués au cours des dernières années. La plupart de ces algorithmes reposent souvent sur des modèles de capteurs et de réseaux simplifiés. En outre, ils ne considèrent pas certaines informations spatiales de l'environnement comme les modèles numériques de terrain, les infrastructures construites humaines et la présence de divers obstacles dans le processus d'optimisation. L'objectif global de cette thèse est d'améliorer les processus de déploiement des capteurs en intégrant des informations et des connaissances géospatiales dans les algorithmes d'optimisation. Pour ce faire, trois objectifs spécifiques sont définis. Tout d'abord, un cadre conceptuel est développé pour l'intégration de l'information contextuelle dans les processus de déploiement des réseaux de capteurs. Ensuite, sur la base du cadre proposé, un algorithme d'optimisation sensible au contexte local est développé. L'approche élargie est un algorithme local générique pour le déploiement du capteur qui a la capacité de prendre en considération de l'information spatiale, temporelle et thématique dans différents contextes d'applications. Ensuite, l'analyse de l'évaluation de la précision et de la propagation d'erreurs est effectuée afin de déterminer l'impact de l'exactitude des informations contextuelles sur la méthode d'optimisation du réseau de capteurs proposée. Dans cette thèse, l'information contextuelle a été intégrée aux méthodes d'optimisation locales pour le déploiement de réseaux de capteurs. L'algorithme développé est basé sur le diagramme de Voronoï pour la modélisation et la représentation de la structure géométrique des réseaux de capteurs. Dans l'approche proposée, les capteurs change leur emplacement en fonction des informations contextuelles locales (l'environnement physique, les informations de réseau et les caractéristiques des capteurs) visant à améliorer la couverture du réseau. La méthode proposée est implémentée dans MATLAB et est testée avec plusieurs jeux de données obtenus à partir des bases de données spatiales de la ville de Québec. Les résultats obtenus à partir de différentes études de cas montrent l'efficacité de notre approche. / In recent years, sensor networks have been increasingly used for different applications ranging from environmental monitoring, tracking of moving objects, development of smart cities and smart transportation system, etc. A sensor network usually consists of numerous wireless devices deployed in a region of interest. A fundamental issue in a sensor network is the optimization of its spatial coverage. The complexity of the sensing environment with the presence of diverse obstacles results in several uncovered areas. Consequently, sensor placement affects how well a region is covered by sensors as well as the cost for constructing the network. For efficient deployment of a sensor network, several optimization algorithms are developed and applied in recent years. Most of these algorithms often rely on oversimplified sensor and network models. In addition, they do not consider spatial environmental information such as terrain models, human built infrastructures, and the presence of diverse obstacles in the optimization process. The global objective of this thesis is to improve sensor deployment processes by integrating geospatial information and knowledge in optimization algorithms. To achieve this objective three specific objectives are defined. First, a conceptual framework is developed for the integration of contextual information in sensor network deployment processes. Then, a local context-aware optimization algorithm is developed based on the proposed framework. The extended approach is a generic local algorithm for sensor deployment, which accepts spatial, temporal, and thematic contextual information in different situations. Next, an accuracy assessment and error propagation analysis is conducted to determine the impact of the accuracy of contextual information on the proposed sensor network optimization method. In this thesis, the contextual information has been integrated in to the local optimization methods for sensor network deployment. The extended algorithm is developed based on point Voronoi diagram in order to represent geometrical structure of sensor networks. In the proposed approach sensors change their location based on local contextual information (physical environment, network information and sensor characteristics) aiming to enhance the network coverage. The proposed method is implemented in MATLAB and tested with several data sets obtained from Quebec City spatial database. Obtained results from different case studies show the effectiveness of our approach.

Ce manuscrit contient d'abord l'étude d'une extension du modèle des protocoles de populations, qui représentent des réseaux de capteurs asynchrones, passivement mobiles, limités en ressources et anonymes. Pour la première fois (à notre connaissance), un modèle formel de consommation d'énergie est proposé pour les protocoles de populations. A titre d'application, nous étudions à la complexité en énergie (dans le pire des cas et en moyenne) pour le problème de collecte de données. Deux protocoles prenant en compte la consommation d'énergie sont proposés. Le premier est déterministe et le second randomisé. Pour déterminer les valeurs optimales des paramètres, nous faisons appel aux techniques d'optimisation. Nous appliquons aussi ces techniques dans un cadre différent, celui des réseaux de capteurs corporels (WBAN). Une formulation de flux est proposée pour acheminer de manière optimale les paquets de données en minimisant la pire consommation d'énergie. Une procédure de recherche à voisinage variable est développée et les résultats numériques montrent son efficacité. Enfin, nous considérons le problème d'optimisation avec des paramètres aléatoires. Précisément, nous étudions un modèle semi-défini positif sous contrainte en probabilité. Un nouvel algorithme basé sur la simulation est proposé et testé sur un problème réel de théorie du contrôle. Nous montrons que notre méthode permet de trouver une solution moins conservatrice que d'autres approches en un temps de calcul raisonnable. / In this thesis, we propose a formal energy model which allows an analytical study of energy consumption, for the first time in the context of population protocols. Population protocols model one special kind of sensor networks where anonymous and uniformly bounded memory sensors move unpredictably and communicate in pairs. To illustrate the power and the usefulness of the proposed energy model, we present formal analyses on time and energy, for the worst and the average cases, for accomplishing the fundamental task of data collection. Two power-aware population protocols, (deterministic) EB-TTFM and (randomized) lazy-TTF, are proposed and studied for two different fairness conditions, respectively. Moreover, to obtain the best parameters in lazy-TTF, we adopt optimization techniques and evaluate the resulting performance by experiments. Then, we continue the study on optimization for the power-aware data collection problem in wireless body area networks. A minmax multi-commodity netflow formulation is proposed to optimally route data packets by minimizing the worst power consumption. Then, a variable neighborhood search approach is developed and the numerical results show its efficiency. At last, a stochastic optimization model, namely the chance constrained semidefinite programs, is considered for the realistic decision making problems with random parameters. A novel simulation-based algorithm is proposed with experiments on a real control theory problem. We show that our method allows a less conservative solution, than other approaches, within reasonable time.

Des Réseaux de Capteurs Sans Fil (RdCSF) deviennent omniprésents et sont utilisés dans diverses applications domaines. Ils sont les pierres angulaires de l'émergence de l'Internet des Objets (IdO) paradigme. Déploiements traditionnels de réseaux de capteurs sont spécifiques à un domaine, avec des applications généralement incrustés dans le RdCSF, excluant la ré-utilisation de l'infrastructure par d'autres applications. Maintenant, avec l'avènement de l'IdO, cette approche est de moins en moins viable. Une solution possible réside dans le partage d'une même RdCSF par de plusieurs applications et services, y compris même les applications et services qui ne sont pas envisagées lors du déploiement de RdCSF. Deux principaux développements majeurs ont conduit à cette solution potentielle. Premièrement, comme les nœuds de RdCSF sont de plus en plus puissants, il devient de plus en plus pertinent de rechercher comment pourrait plusieurs applications partager les mêmes déploiements WSN. La deuxième évolution est le Cloud Computing paradigme qui promeut des ressources et de la rentabilité en appliquant le concept de virtualisation les ressources physiques disponibles. Grâce à ces développements de cette thèse fait les contributions suivantes. Tout d'abord, un vaste état de la revue d'art est présenté qui présente les principes de base de RdCSF la virtualisation et sa pertinence avec précaution motive les scénarios sélectionnés. Les travaux existants sont présentés en détail et évaluées de manière critique en utilisant un ensemble d'exigences provenant du scénario. Cette contribution améliore sensiblement les critiques actuelles sur l'état de l'art en termes de portée, de la motivation, de détails, et les questions de recherche futures. La deuxième contribution se compose de deux parties: la première partie est une nouvelle architecture de virtualization RdCSF multicouche permet l'approvisionnement de plusieurs applications et services au cours du même déploiement de RdCSF. Il est mis en œuvre et évaluée en utilisant un prototype basé sur un scénario de preuve de concept en utilisant le kit Java SunSpot. La deuxième partie de cette contribution est l'architecture étendue qui permet à l’infrastructure virtualisée RdCSF d'interagir avec un RdCSF Platform-as-a-Service (PaaS) à un niveau d'abstraction plus élevé. Grâce à ces améliorations RdCSF PaaS peut provisionner des applications et des services RdCSF aux utilisateurs finaux que Software-as-a-Service (SaaS). Les premiers résultats sont présentés sur la base de l'implantation de l'architecture améliorée en utilisant le kit Java SunSpot. La troisième contribution est une nouvelle architecture d'annotation de données pour les applications sémantiques dans les environnements virtualisés les RdCSF. Il permet en réseau annotation de données et utilise des superpositions étant la pierre angulaire. Nous utilisons la base ontologie de domaine indépendant d'annoter les données du capteur. Un prototype de preuve de concept, basé sur un scénario, est développé et mis en œuvre en utilisant Java SunSpot, Kits AdvanticSys et Google App Engine. La quatrième et dernière contribution est l'amélioration à l'annotation de données proposée l'architecture sur deux fronts. L'un est l'extension à l'architecture proposée pour soutenir la création d'ontologie, de la distribution et la gestion. Le deuxième front est une heuristique génétique basée algorithme utilisé pour la sélection de noeuds capables de stocker l'ontologie de base. L'extension de la gestion d'ontologie est mise en oeuvre et évaluée à l'aide d'un prototype de validation de principe à l'aide de Java kit SunSpot, tandis que les résultats de la simulation de l'algorithme sont présentés / Wireless Sensor Networks (WSNs) are becoming ubiquitous and are used in diverse applications domains. Traditional deployments of WSNs are domain-specific, with applications usually embedded in the WSN, precluding the re-use of the infrastructure by other applications. This can lead to redundant deployments. Now with the advent of IoT, this approach is less and less viable. A potential solution lies in the sharing of a same WSN by multiple applications and services, to allow resource- and cost-efficiency. In this dissertation, three architectural solutions are proposed for this purpose. The first solution consists of two parts: the first part is a novel multilayer WSN virtualization architecture that allows the provisioning of multiple applications and services over the same WSN deployment. The second part of this contribution is the extended architecture that allows virtualized WSN infrastructure to interact with a WSN Platform-as-a-Service (PaaS) at a higher level of abstraction. Both these solutions are implemented and evaluated using two scenario-based proof-of-concept prototypes using Java SunSpot kit. The second architectural solution is a novel data annotation architecture for the provisioning of semantic applications in virtualized WSNs. It is capable of providing in-network, distributed, real-time annotation of raw sensor data and uses overlays as the cornerstone. This architecture is implemented and evaluated using Java SunSpot, AdvanticSys kits and Google App Engine. The third architectural solution is the enhancement to the data annotation architecture on two fronts. One is a heuristic-based genetic algorithm used for the selection of capable nodes for storing the base ontology. The second front is the extension to the proposed architecture to support ontology creation, distribution and management. The simulation results of the algorithm are presented and the ontology management extension is implemented and evaluated using a proof-of-concept prototype using Java SunSpot kit. As another contribution, an extensive state-of-the-art review is presented that introduces the basics of WSN virtualization and motivates its pertinence with carefully selected scenarios. This contribution substantially improves current state-of-the-art reviews in terms of the scope, motivation, details, and future research issues

Les travaux menés dans cette thèse visent à améliorer la précision du GPS en s'inspirant du mode différentiel (DGPS, Differential GPS). Mais à l'inverse de la solution RTK (RTK, Real-Time Kinematic) qui utilise une grande station de base et qui est difficile à installer et surtout très onéreuse, la solution originale proposée dans cette thèse (LCD-GPS, Low Cost Differential GPS, Local Cooperative DGPS) est basée sur l'utilisation d'un Réseau de Capteurs Sans Fil (RCSF) équipés de récepteurs standarts à faible coût. Ces travaux incluent l'utilisation d'une carte numérique (Map matching), la différence simple, la différence intelligente le filtrage la correction globale ...Afin d'évaluer cette solution, une plateforme matérielle et logiciel a été développée, elle consiste en un réseau de capteurs appelés LiveNodes (LIMOS Versatile Embedded Node). La partie logicielle est composée notamment d'un système d'exploitation embarqué appelé LIMOS (Lighweight Multi-thtreading Operating System) et d'un protocole de communication sans fil appelé CIVIC (Communication Inter Vehicule Intelligente et Coopérative) et enfin les traitements propres à la solution LCD-GPS

Modélisation globale de l'énergie dans les réseaux de capteurs (incluant le matériel, les couches protocolaires, l'application, et l'environnement physique).<br />Application de méthodes de validation formelle au cas des réseaux de capteurs. <br />Etude de cas du projet ANR ARESA.

L'auto-organisation de réseaux radio multi-sauts a pour objectif de structurer/organiser un réseau à l'aide d'une structure logique. Pourquoi le structurer ? Pour introduire de la stabilité en ne tenant pas compte de voisins instables ou fortement mobiles, pour fédérer l'ensemble des noeuds, pour introduire une hiérarchie dans le réseau afin de faciliter le passage à l'échelle, pour introduire plus de capacité dans le réseau, etc. L'auto-organisation telle que nous la considérons vise à construire une topologie logique basée sur la topologie physique de telle sorte que les protocoles réseaux (routage, inondation, etc.) et applicatifs (agrégation et dissémination de données) soient plus efficace et plus robuste. La littérature propose essentiellement 4 façons de structurer un réseau en ayant recours aux tables de hachage distribuées (DHT), aux stratégies de clustering, à la construction d'overlays ou en construisant un réseau maillé logique. Bien entendu, il s'agit ici de proposer des protocoles localisés, voire distribuées. Dans nos travaux, nous avons proposé plusieurs algorithmes localisés de construction et de maintenance de backbone virtuel construit sous forme d'arbre ou de treillis. Après avoir étudié les propriétés intrinsèques de ces protocoles en termes de cardinalité, de convergence (auto-stabilisation), de complexité, etc. nous nous sommes intéressé à l'apport de ces structures logiques dans les problématiques réseaux. Ainsi, et que ce soit dans le domaine des réseaux ad hoc, des réseaux hybrides et des réseaux de capteurs, nous avons re-visité les principaux défis posés en développant des protocoles basés sur les auto-organisations proposées plutôt que de considérer le réseau à plat comme c'est souvent le cas. Des protocoles de routage unicast, de localisation, d'auto-configuration mais également de diffusion de données ont été proposés. L'ensemble des publications obtenues mettent en évidence la pertinence de cette démarche. A côté de ces travaux orientés réseaux nous avons montré, dans des travaux plus théoriques, l'apport en terme de stabilité que permettait l'auto-organisation notamment dans le cas de topologies fortement dynamique. Ce résultat est basé sur l'application de l'entropie statistique utilisée classiquement en thermodynamique. Ces travaux ont été menés depuis le point de vue théorique jusqu'à l'expérimentation.

Aujourd'hui, la prolifération de matériel peu coûteux tels que les caméras et les microphones capables de capturer du contenu multimédia de façon ubiquitaire a conduit à l'émergence des réseaux de capteurs sans fil multimédia/vidéo (RCSFM /RCSFV). En conséquence, un grand éventail d'applications peuvent être projetées dans de nombreux domaines de la vie de tous les jours. Par rapport aux réseaux de capteurs traditionnels (RCSF), les RCSFVs présentent des défis uniques principalement en raison de la grande quantité de données à capturer et à transmettre au-dessus d'un réseau contraint en ressources. Un certain niveau de qualité de service peut être exigé en termes de délai, bande passante, gigue, fiabilité, qualité de perception de la vidéo, etc. Dans ce travail, nous visons le problème du routage de données vidéo dans un RCSF. De nombreux protocoles de routage ont été proposés dans la littérature. Ils peuvent être qualifiés de plat ou hiérarchique en vue de l'organisation du réseau. Dans une topologie plate, tous les noeuds ont les mêmes fonctionnalités où chacun peut participer au processus de routage. Cependant, dans une architecture hiérarchique, les capteurs sont organisés en groupes (clusters) permettant une plus grande évolutivité, moins d'énergie consommée et donc une plus longue vie pour l'ensemble du réseau. Parmi les protocoles de routage existants, peu considèrent spécifiquement la transmission de données intensives comme la vidéo. Dans ce travail, nous avons d'abord proposé un protocole de routage hiérarchique appelé ELPC (Energy Level Passive Clustering) dont l'objectif principal est d'améliorer la durée de vie du réseau en présence de flux vidéo. Ceci est obtenu grâce à l'équilibrage des charges au moment de la construction de la topologie où le rôle de tête de groupe est alterné entre les noeuds candidats en fonction de leur niveau d'énergie. La deuxième contribution consiste en un protocole de routage multichemin qui prend les interférences inter-chemin en considération. En effet, en permettant la transmission de plusieurs flux concurrents, le délai de bout en bout se trouve réduit et les besoins de l'application en termes de bande passante peuvent être satisfaits. Au lieu de supprimer complètement les interférences, notre protocole de routage multichemin tente de les minimiser en se basant sur l'ajout d'informations supplémentaires sur les noeuds voisins dans les messages de construction de la topologie. De plus, nous proposons un schéma de files d'attente à priorités multiples où l'influence des types de données dans une vidéo est considérée. Les résultats des simulations montrent que l'utilisation de chemins moins interférents combinée à un régime de multipriorité permet une meilleure qualité vidéo.

Les réseaux de capteurs ont connu un grand essor ces dix dernières années. Ils interviennent dans tous les domaines de notre vie quotidienne et la rendent plus aisée. Malgré ce grand succès des réseaux de capteurs, plusieurs problèmes restent encore ouverts. La capacité énergétique et la fragilité du canal radio des réseaux de capteurs affectent gravement leurs performances. La communication coopérative représente une solution efficace pour lutter contre l'instabilité du canal radio et afin d'économiser plus d'énergie. Nous proposons dans ce manuscrit, d'utiliser la communication coopérative, en premier lieu, au niveau de la couche MAC afin de mettre en place un accès au canal coopératif et non égoïste. En second lieu, nous utilisons la communication coopérative au niveau de la couche réseau dans le but d'établir des chemins de routage plus stables et plus robustes. / Wireless sensor networks (WSN) have known a great development during the last decade. They intervene in all the domain of our everyday life to make it easier. Despite the success of WSN several problems have to be solved. The restricted energy capacity and the randomness of the wireless channel seriously affect the performances of the WSN. Cooperative communication represents an efficient solution to reduce the instability of the wireless channel and to optimize energy. In this thesis we propose to use cooperative communications at the MAC and network layer in order to set up a cooperative access to the channel and to establish more robust routing paths.

Cette thèse porte sur les problèmes de déploiement des Réseaux de Capteurs sans Fil (RCsF). Elle suit trois directions principales : (1) le déploiement aléatoire, (2) le déploiement déterministe, et (3) l'auto-déploiement. En premier lieu, nous présentons une étude sur le placement aléatoire des capteurs dans les RCsF et nous élaborons une stratégie pratique de déploiement aléatoire. Ensuite, dans le cadre d'un déploiement déterministe, nous analysons le problème de gestion des imperfections liées à la collecte des données par les capteurs. Nous discutons les modèles de couverture et les algorithmes de placement existants et nous exploitons la théorie de l'évidence pour concevoir des stratégies de déploiement plus efficaces. Enfin, nous explorons les stratégies d'auto-déploiement existantes et nous élaborons un protocole en deux phases, léger et complet, pour assurer une couverture optimisée de la zone contrôlée en utilisant un RCsF mobile. Les résultats obtenus montrent l'efficacité des approches proposée qui ont été étudiées à la fois sur des données synthétiques que sur un test expérimental / This dissertation is an in-depth investigation of the Wireless Sensor Networks (WSNs) deployment problems that follows three general directions: (1) random deployment, (2) deterministic deployment, and (3) self-deployment. First, we present a survey and taxonomy of random node placement in WSNs and we devise a practical random deployment strategy. Second, we analyze the uncertainty-aware deterministic WSNs deployment problem where sensors may not always provide reliable information. We discuss sensor coverage models and placement algorithms found in the literature and we investigate the evidence theory to design better deployment strategies. We devise evidence-based sensor coverage models and we propose several polynomial-time uncertainty-aware deployment algorithms. Third, we explore the published self-deployment strategies and we devise a lightweight and comprehensive two-phase protocol, for ensuring area coverage employing a mobile WSN. Experimental results based on synthetic data sets, data traces collected in a real deployment, and an experimental test, show that the proposed approaches outperform the state-of-the-art deployment strategies

Dans le contexte des réseaux de capteurs sans fil, la technique de localisation ”range-free” est plus efficiente, par rapport au principe ”range-based”. Par conséquent, nous avons focalisé nos travaux de cette thèse sur les techniques ”range-free”. Afin de permettre à chaque noeud mobile ou normal de choisir son propre algorithme de localisation, nous avons proposé un mécanisme adapté en scindant les noeuds normaux en deux classes: les noeuds de la première classe ont au moins 3 ancres voisines, alors que les noeuds de la deuxième classe ont moins de trois ancres voisines. Pour les noeuds normaux de la classe 1, nous avons proposé un nouvel algorithme ”Mid-perpendicular”. Pour les noeuds normaux de la classe 2, nous avons proposé deux nouveaux algorithmes ”Checkout DV-hop” et ”Selective 3-Anchor DV-hop”.Pour simuler et évaluer la performance de nos trois nouveaux algorithmes dans le contexte protocolaire des réseaux, nous avons pris soin de proposer deux protocoles associés : ”DV-hopprotocol” et ”Classe-1 protocol”. Par la suite, nous avons combiné ces deux protocoles pour obtenir notre ”adaptive range-free localization protocol”. Basé sur nos protocoles, en utilisant le simulateur WSNet, nous avons simulé différents algorithmes ”range-free” dans le contexte des réseaux de capteurs conformes au standard IEEE 802.15.4. Les résultats ont été présentés et analysés en termes de précision de la localisation, charge du réseau, mobilité des noeuds, et synchronisation de ces derniers. / In the context of wireless sensor networks, the range-free localization technique is more costeffective than the range-base scheme. Therefore, in this thesis we focus on the range-free technique.In order to permit each normal node to choose its suitable localization algorithm, we proposed anadaptive mechanism to categorize normal nodes into two classes: the normal nodes having at least 3 neighbor anchors are class-1 nodes, while others are class-2 nodes. For class-1 normal nodes, we proposed a new algorithm named as Mid-perpendicular. For class-2 normal nodes, we proposed twoalgorithms Checkout DV-hop and Selective 3-Anchor DV-hop.In order to simulate and evaluate the performance of our three new algorithms, we proposed two protocols: DV-hop protocol and Class-1 protocol. Then we combined these two protocols into our adaptive range-free localization protocol. Based on our protocols, using the network simulator WSNet,we simulate the concerned range-free localization algorithms in the IEEE 802.15.4 wireless network.The comparative network simulation results are presented and analyzed in terms of localization accuracy, overhead, node mobility, and node synchronization