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.

Les réseaux de capteurs sans fil (RCSFs) ont suscité un grand intérêt scientifique durant cette dernière décennie. Un des grands défis des RCSFs est d'assurer une communication avec la Qualité de Service (QoS) exigée par l'application tout en prenant en considération les contraintes intrinsèques des capteurs. Un autre défi est relatif à la génération des trafics hétérogènes avec des priorités diverses, ce qui impose des contraintes supplémentaires aux différents protocoles de communication. Dans cette thèse, nous nous intéressons aux protocoles de routage dédiés aux RCSFs. Dans un premier temps, nous proposons des améliorations de deux protocoles appartenant à deux catégories différentes de routage. L'objectif est de surmonter les contraintes liées aux caractéristiques des capteurs sans fil et d'assurer de meilleure performance. Dans un deuxième temps, nous proposons une solution pour remédier à la vulnérabilité de la technique des chemins multiples aussi bien dans le cas d'une seule source ou que dans le cas de plusieurs sources. Ainsi, nous avons proposé un protocole de routage à chemins multiples, capable de créer des chemins tout en évitant l'effet du rayon de détection de porteuse. Ce protocole nommé « Carrier Sense Aware Multipath Geographic Routing (CSA-MGR) », satisfait la QoS exigée par les RCSFs. Comme application directe de notre solution, nous avons étudié un scénario d'irrigation par goutte-à-goutte en utilisant les RCSFs. Principalement, nous nous sommes intéressés au cas d'un dysfonctionnement de système, tel que la rupture des tuyaux d'irrigation ou bien le blocage des émetteurs. Ainsi, nous distinguons deux niveaux de priorité pour les informations transmises par le réseau, et en utilisant le protocole CSA-MGR, nous concevons un routage selon la priorité exigée. Notre travail a été validé avec NS2 et TOSSIM ainsi par une implémentation réelle sur des noeuds capteurs TelosB. Les résultats des simulations numériques et des tests expérimentaux montrent l'apport de nos contributions par rapport aux solutions existantes. / Wireless Sensor Networks (WSNs) have aroused great scientific interest during the last decade. One of the greatest challenge of WSNs is to ensure communication with the Quality of Service (QoS) required by the application while taking into account the inherent constraints of the sensor nodes. Another challenge is related to the generation of heterogeneous traffic with different priorities, which imposes additional constraints on different communication protocols. In this thesis, we are interested specifically to routing protocols dedicated to WSNs. First, we propose improvements of protocols based on combinatorial optimization techniques and those based on nodes geographic positions to overcome the related constraints of WSNs. Secondly, we propose a solution to address the vulnerability of the multiple paths technique, whether for the case of a single source or several sources in the network. Thus, our main contribution is to provide a multi-path routing protocol, able to creating paths while avoiding the carrier sense range effect. This protocol denoted "Carrier Sense Aware Multipath Geographic Routing (CSA-MGR)" meets the QoS required by WSNs. As direct application of our solution, we studied a drip irrigation scenario using WSNs. Mainly, we studied the case where a system dysfunctioning occurs, such as irrigation pipe rupture or the emitters blocking. Also, we distinguish two priority levels for the data transmitted over the network, and based on the CSA-MGR, we design routing according to the required priority. Our work in this thesis has been validated through NS2 and TOSSIM simulators and also through a real implementation over the TelosB motes. The results of numerical simulations and experimental results show the advantage of our contributions compared to existing solutions.

Au cours de ces dernières années, les réseaux de capteurs sans fils ont connu un intérêt croissant à la fois au sein de la communauté scientifique et industrielle en raison du large potentiel en terme d’applications offertes. Toutefois, les capteurs sont conçus avec d’extrêmes contraintes en ressources, en particulier la limitation de l’énergie. Il est donc nécessaire de concevoir des protocoles efficaces, évolutifs et moins consommateur d’énergie afin de prolonger la durée de vie de ces réseaux. Le clustering est une approche très populaire, utilisée pour l’optimisation de la consommation d’énergie des capteurs. Cette technique permet d’influencer fortement la performance globale du réseau. En outre, dans de tels réseaux, le routage génère un nombre assez élevé d’opérations non négligeables qui affectent considérablement la durée de vie du réseau ainsi que le débit offert. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés d’une part aux problèmes de clustering et de routage en utilisant des méthodes d’optimisation inspirées de certaines sociétés biologiques fournissant des modèles puissants qui conduisent à l’établissement d’une intelligence globale en se basant sur des comportements individuels très simples. Nous avons proposé une approche de clustering distribuée basée sur le processus de sélection des sites de nidification chez les colonies d’abeilles. Nous avons formulé le problème de clustering distribuée comme un processus social de prise de décision dans lequel les capteurs agissent d’une manière collective pour choisir des représentants au sein de leurs clusters respectifs. Le protocole proposé assure une distribution de l’équilibrage de charge entre les membres de chaque cluster afin de prolonger la durée de vie du réseau en faisant un compromis entre la consommation d’énergie et la qualité du canal de communication. D’autre part, nous avons proposé un protocole de routage basé sur des clusters en utilisant un algorithme inspiré du phénomène de butinage des abeilles. Nous avons formulé le problème de clustring comme un problème de programmation linéaire alors que le problème du routage est résolu par une fonction de coûts. L’algorithme de clustering permet la construction efficace des clusters en faisant un compromis entre la consommation d’énergie et la qualité du canal communication au sein des clusters tandis que le routage est réalisé de manière distribuée. Les protocoles proposés ont été intensivement expérimentés sur plusieurs topologies dans différents scénarios de réseaux et comparés avec des protocoles bien connus de clustering et routage. Les résultats obtenus démontrent l’efficacité des protocoles proposés. / During the past few years, wireless sensor networks witnessed an increased interest in both the industrial and the scientific community due to the potential wide area of applications. However, sensors’ components are designed with extreme resource constraints, especially the power supply limitation. It is therefore necessary to design low power, scalable and energy efficient protocols in order to extend the lifetime of such networks. Cluster-based sensor networks are the most popular approach for optimizing the energy consumption of sensor nodes, in order to strongly influence the overall performance of the network. In addition, routing involves non negligible operations that considerably affect the network lifetime and the throughput. In this thesis, we addressed the clustering and routing problems by hiring intelligent optimization methods through biologically inspired computing, which provides the most powerful models that enabled a global intelligence through local and simple behaviors. We proposed a distributed clustering approach based on the nest-sites selection process of a honeybee swarm. We formulated the distributed clustering problem as a social decision-making process in which sensors act in a collective manner to choose their cluster heads. To achieve this choice, we proposed a multi- objective cost-based fitness function. In the design of our proposed algorithm, we focused on the distribution of load balancing among each cluster member in order to extend network lifetime by making a tradeoff between the energy consumption and the quality of the communication link among sensors. Then, we proposed a centralized cluster-based routing protocol for wireless sensor networks by using the fast and efficient searching features of the artificial bee colony algorithm. We formulated the clustering as a linear programming problem and the routing problem is solved by proposing a cost-based function. We designed a multi-objective fitness function that uses the weighted sum approach, in the assignment of sensors to a cluster. The clustering algorithm allows the efficient building of clusters by making a tradeoff between the energy consumption and the quality of the communication link within clusters while the routing is realized in a distributed manner. The proposed protocols have been intensively experimented with a number of topologies in various network scenarios and the results are compared with the well-known cluster-based routing protocols. The results demonstrated the effectiveness of the proposed protocols.

Vu les perspectives qu'ils offrent, les réseaux de capteur sans fil (RCSF) ont perçu un grand engouement de la part de la communauté de recherche ces dernières années. Les RCSF couvrent une large gamme d'applications variant du contrôle d'environnement, le pistage de cible aux applications de santé. Les RCSFs sont souvent déployés aléatoirement. Ce dispersement des capteurs nécessite que les protocoles de transmission utilisés soient résistants aux conditions environnementales (fortes chaleurs ou pluies par exemple) et aux limitations de ressources des nœuds capteurs. En effet, la perte de plusieurs nœuds capteurs peut engendrer la perte de communication entre les différentes entités. Ces limitations peuvent causer la perte des paquets transmis ce qui entrave l'activité du réseau. Par conséquent, il est important d'assurer la fiabilité des transmissions de données dans les RCSF d'autant plus pour les applications critiques comme la détection d'incendies. Dans cette thèse, nous proposons une solution complète de transmission de données dans les RCSF répondant aux exigences et contraintes de ce type de réseau. Dans un premier temps, nous étudions les contraintes et les challenges liés à la fiabilisation des transmissions dans les RCSFs et nous examinons les travaux proposés dans la littérature. Suite à cette étude nous proposons COMN2, une approche distribuée et scalable permettant de faire face à la défaillance des nœuds. Ensuite, nous proposons un mécanisme de contrôle d'erreur minimisant la perte de paquets et proposant un routage adaptatif en fonction de la qualité du lien. Cette solution est basée sur des acquittements implicites (overhearing) pour la détection des pertes des paquets. Nous proposons ensuite ARRP une variante de AJIA combinant les avantages des retransmissions, de la collaboration des nœuds et des FEC. Enfin, nous simulons ces différentes solutions et vérifions leurs performances par rapport à leurs concurrents de l'état de l'art. / Over the past decades, we have witnessed a proliferation of potential application domainsfor wireless sensor networks (WSN). A comprehensive number of new services such asenvironment monitoring, target tracking, military surveillance and healthcare applicationshave arisen. These networked sensors are usually deployed randomly and left unattendedto perform their mission properly and efficiently. Meanwhile, sensors have to operate ina constrained environment with functional and operational challenges mainly related toresource limitations (energy supply, scarce computational abilities...) and to the noisyreal world of deployment. This harsh environment can cause packet loss or node failurewhich hamper the network activity. Thus, continuous delivery of data requires reliabledata transmission and adaptability to the dynamic environment. Ensuring network reliabilityis consequently a key concern in WSNs and it is even more important in emergencyapplication such disaster management application where reliable data delivery is the keysuccess factor. The main objective of this thesis is to design a reliable end to end solution for data transmission fulfilling the requirements of the constrained WSNs. We tackle two design issues namely recovery from node failure and packet losses and propose solutions to enhance the network reliability. We start by studying WSNs features with a focus on technical challenges and techniques of reliability in order to identify the open issues. Based on this study, we propose a scalable and distributed approach for network recovery from nodefailures in WSNs called CoMN2. Then, we present a lightweight mechanism for packetloss recovery and route quality awareness in WSNs called AJIA. This protocol exploitsthe overhearing feature characterizing the wireless channels as an implicit acknowledgment(ACK) mechanism. In addition, the protocol allows for an adaptive selection of therouting path by achieving required retransmissions on the most reliable link. We provethat AJIA outperforms its competitor AODV in term of delivery ratio in different channelconditions. Thereafter, we present ARRP, a variant of AJIA, combining the strengthsof retransmissions, node collaboration and Forward Error Correction (FEC) in order toprovide a reliable packet loss recovery scheme. We verify the efficiency of ARRP throughextensive simulations which proved its high reliability in comparison to its competitor.

Au cours de cette thèse, nous avons étudié le problème de déploiement des Réseaux de Capteurs Sans-Fil (RCSF) pour des applications indoor tel que le bâtiment intelligent. Le but de notre travail était de développer un outil de déploiement capable d'assister les concepteurs de RCSF lors de la phase de déploiement de ces derniers. Nous avons commencé cette thèse par la modélisation de tous les paramètres qui interviennent lors du déploiement des RCSF, à savoir : coût, connectivité, couverture et durée de vie. Par la suite, nous avons implémenté cinq algorithmes d'optimisation, dont trois multi-objectifs afin de résoudre le problème de déploiement. Deux cas d'études réelles (grande et petite instance) ont été identifiés afin de tester ces algorithmes. Les résultats obtenus ont montré que ces algorithmes sont efficaces quand il s'agit d'un petit bâtiment (petit espace). Par contre, dès que la surface du bâtiment augmente les performances des algorithmes étudiés se dégradent. Pour répondre à cela, nous avons développé et implémenté un algorithme d'optimisation multi-objectifs hybride. Cet algorithme se base sur des notions de clustering et d'analyse de données afin de limiter le nombre d'évaluations directes qu'entreprennent ces méthodes pendant chaque itération. Afin d'assurer cette limitation d'évaluation les fonctions de fitness sont approximées grâce aux réseaux de neurones et l'algorithme de classification K-means. Les résultats obtenus ont montré une très bonne performance sur les deux instances de tailles différentes. Ces résultats ont été comparés à ceux obtenus avec les méthodes classiques utilisées et sont compétitives et prometteuses. / In this thesis, we studied the Wireless Sensor Network deployment for indoor environments with a focus on smart building application. The goal of our work was to develop a WSN deployment tool which is able to assist network designers in the deployment phase. We begin this thesis with network modeling of all the deployment parameters and requirement, such as : cost, coverage, connectivity and network lifetime. Thereafter, we implement five optimisation methods, including three multi-objective optimization agorithms, to resolve WSN deployment problem. Then, two realistics study cases were identified to test the performances of the aforementioned algorithms. The obtained results shows that these algorithms are very efficient for deploying a small scale network in small buildings. However, when the building surface becomes more important the algorithms tends to converge to local optimum while consuming high processing time. To resolve this problem, we develop and implement a new Hybrid multi-objectif optimization algorithm wich limits the number of direct evaluation. This algorithm is based on data-mining methods (Artificial Neural Networks and K-means) and tries to approximate the fitness value of each individual in each generation. At every generation of the algorithm, the population is divided to K clusters and we evaluate only the closest individual to cluster centroide. The fitness value of the rest of population is approximated using a trained ANN. A comparative study was made and the obtained results show that our method outperformes others in the two sudy cases (small and big buildings).

Une maintenance efficace d’un dispositif industriel ne peut être basée que sur la fiabilité et l’exactitude de données physiques captées sur ledit dispositif, à des fins de surveillance. Dans certains cas, le monitoring de tels systèmes industriels ou de zones à surveiller ne peut pas être assuré à l’aide de capteurs individuels ou filaires, du fait par exemple de problèmes d’accès ou de milieux hostiles. Les Réseaux de Capteurs Sans Fil (RCSF) sont alors une alternative. En raison de la nature des communications dans ces réseaux, et des caractéristiques des appareils composants ces derniers, un RCSF est à fort risque de pannes au niveau des capteurs, et dans ce cas la perte de diverses données est probable - ce qui peut s’avérer problématique pour le monitoring du dispositif. Pour étudier la pertinence des RCSF pour le processus dit de PHM (Prognostic and Health Management, utilisé pour déterminer le plan de maintenance d’un dispositif à surveiller), et l’impact des diverses stratégies déployées dans ces premiers sur ces derniers, nous avons proposé un premier algorithme de diagnostic efficace et l’avons utilisé dans un RCSF simulé pour en mesurer la performance (ce simulateur étant un programme que nous avons développé). / Effective maintenance of an industrial device can only be based on the reliability and accuracy of physical data captured on said device for monitoring purposes. In some cases, monitoring of such industrial systems or areas to be monitored can not be ensured by individual or wire sensors, for example due to access problems or hostile environments. Wireless Sensor Networks (RCSF) are an alternative. Due to the nature of the communications in these networks, and the characteristics of the devices making up the latter, an RCSF is at high risk of failures at the sensors, and in this case the loss of various data is likely - problematic for the monitoring of the device. To study the relevance of the RCSF to the so-called Prognostic and Health Management (PHM) process used to determine the maintenance plan for a device to be monitored, and the impact of the various strategies deployed in the latter on the latter, proposed a first efficient diagnostic algorithm and used it in a simulated RCSF to measure its performance (this simulator being a program that we developed).

Dans cette thèse, nous avons proposé des solutions originales et performantes pour l’économie d’énergie dans les réseaux de capteurs sans fil (RCSF). Ces contributions s'organisent autour de deux grands axes : les réseaux de capteurs génériques et les réseaux de capteurs sans fil dédiés aux applications santé. Dans un premier temps, nous avons réalisé un état-de-l’art des mécanismes d'économie d’énergie pour les RCSF. Nous avons ensuite proposé deux solutions originales : la première optimise le déplacement d’une station de base, ainsi que la façon dont les données sont stockées dans les capteurs et routées vers le puit mobile ; la seconde optimise le déploiement de chargeurs mobiles, qui une fois dans le réseau permettent de satisfaire la demande en énergie des nœuds via la transmission d’énergie sans fil sur plusieurs sauts. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés plus particulièrement aux applications des RCSF pour la supervision de patients à distance. Nous avons introduit une nouvelle classification des techniques économes en énergie adaptées à la spécificité de ces applications santé. Nous avons ensuite proposé une nouvelle architecture pour la supervision de patient à distance à l’aide de capteurs sans fil qui permet de prolonger la durée de vie des capteurs et de la station de base. Cette solution prend en compte l’environnement du patient et l’hétérogénéité des appareils. Nos résultats montrent que la durée de vie des réseaux de capteurs sans fil peut être étendue en utilisant les différentes stratégies proposées. L’efficacité de ces approches a été confirmée à l’aide de nombreuses expérimentations numériques et simulations. / In this thesis, we propose new strategies for energy conservation in wireless sensor networks, so that the operational time of these networks can be extended. The work can be divided into two main focus area, namely general wireless sensor networks, and healthcareoriented wearable sensor networks. In the first part of this thesis we provide a comprehensive survey of the existing energy-efficient mechanisms. Then, we propose two new solutions: the first one optimizes the displacement of a mobile base station as well as buffer usage and data routing at sensor nodes; the second one optimizes the deployment of wireless chargers in the network to satisfy the energy demand of the sensors. The second part of this thesis is dedicated to healthcare application where wearable sensors are used to remotely supervise a patient. We begin with a state-of-the-art of the energy-efficient techniques existing in the literature. We then introduce a new energy-efficient architecture that allows to optimize the lifetime of both the sensor and the base station. This is a context-aware solution that takes into consideration heterogeneous devices. Our results show that the lifetime of the sensor networks can be extended using the proposed strategies. All the results obtained are supported by numerical experiments and extensive simulations.

Dans cette thèse, nous proposons une méthodologie de conception d’architectures de communication dédiées aux réseaux de capteurs basées sur la technique de radio impulsionnelle pour les transmissions ultralarge bande (ULB). La technique impulsionnelle proposée ici repose sur la modulation de forme d’impulsion. L’approche de conception architecturale présentée dans cette thèse se focalise plus particulièrement sur la forme des impulsions et leur génération, qui revêt un intérêt majeur puisqu’elle constitue le support de l’information échangée. L’étude sur le choix de la forme d’impulsion nous a conduit à proposer deux architectures différentes. Une première architecture repose sur les polynômes orthogonaux, et plus particulièrement sur les polynômes d’Hermite, pour la génération des impulsions, et sur une architecture de corrélation pour la détection et la reconnaissance des trains d’impulsions transmis. La deuxième architecture est basée sur la transformée en paquets d’ondelettes discrète et peut être exploitée selon deux modes d’utilisation différents, mono et multiutilisateurs. L’utilisation d’une architecture de synthèse à l’émission et d’analyse à la réception ouvre une nouvelle orientation pour les communications numériques, permettant à la transformée en ondelettes d’assurer à la fois la génération des impulsions à l’émission et leur reconnaissance à la réception. Un intérêt immédiat de la technique proposée permet notamment de faciliter l’accès multiutilisateurs au canal ultralarge bande, et d’autoriser des communications simultanées (Many-to-one, des nœuds vers le puits) ou du broadcast (One-to-many, du puits vers les nœuds) sans surcharger la couche MAC. L’architecture proposée s’inscrit donc à l’interface des couches PHY et MAC et permet de relâcher les contraintes de conception spécifiques à ces couches / In this thesis, we propose a design methodology for communication architectures dedicated to wireless sensor network based on impulse radio techniques for UWB communications. The impulse technique proposed in this work relies on pulse shape modulation. The architecture design approach proposed in this thesis focuses on pulses shape and their generation, which is of major interest as it constitutes the carrier of the information exchanged. The study on the choice of pulse shape led us to propose two different architectures. The first one is based on orthogonal polynomials, more especially on the Hermite polynomials, for impulse generation, and on a correlation architecture for detection and recognition of transmitted impulses. The second architecture is based on discrete wavelet packet transform and can be used according two different modes, mono and multi-users. The use of both synthesis and analysis architectures for emitter and receiver, respectively, offers a new way for digital communications and allows the wavelet transform to ensure the impulses generation on the transmitter and their recognition on the receiver. A major interest point of the proposed technique is to facilitate the multi-users access to the ultra-wideband channel and to allow simultaneous communications (many-to-one, from the sensors to the sink) or broadcast (one-to-many, from the coordinator to the nodes) but without overloading the MAC layer. Hence, the proposed architecture is part of the interface between both PHY and MAC layers, and allows to release their specific design constraints

Chaque année en Europe, 1.300.000 accidents de la route ont comme conséquence 1.700.000 blessés. Le coût financier d'accidents de la route est évalué à 160 milliards d'euros (approximativement le même coût aux Etats-Unis). VANET (Vehicular Ad-hoc NETwork) est une des technologies clés qui peut permettre de réduire d'une façon significative le nombre d'accidents de la route (e.g. message d'urgence signalant la présence d'un obstacle ou d'un véhicule en cas de brouillard). En plus de l'amélioration de la sécurité et du confort des conducteurs et des passagers, VANET peut contribuer à beaucoup d'applications potentielles telles que la prévision et la détection d'embouteillages, la gestion d'infrastructure de système de transport urbain (e.g. système de transport intelligent multimodal) etc. Dans cette thèse, je présenterai un système embarqué dédié à la communication inter-véhicule particulièrement pour les applications sécuritaires de passagers et de conducteurs. Nos efforts de recherche et de développement sont centrés sur deux principaux objectifs : minimiser le temps de latence intra-noeud et le délai de communication inter-véhicule en prenant en compte le changement dynamique du VANET. De ce fait pour atteindre ces objectifs, des nouvelles approches (e.g. inter-couche 'Cross-layering') ont été explorées pour respecter les contraintes de ressource (QoS, mémoire, CPU et énergie de la communication inter-véhicule) d'un système embarqué à faible coût. Le système de communication embarqué proposé comporte deux composants logiciels principaux : un protocole de communication dénommé CIVIC (Communication Inter Véhicule Intelligente et Coopérative) et un système d'exploitation temps réel appelé HEROS (Hybrid Event-driven and Real-time multitasking Operating System). CIVIC est un protocole de communication géographique à faible consommation énergétique et à faible temps de latence (délai de communication). HEROS gère contextuellement l'ensemble du système (matériel et logiciel) en minimisant le temps de latence et la consommation des ressources (CPU et mémoire). En outre, le protocole de communication CIVIC est équipé d'un système de localisation LCD-GPS (Low Cost Differential GPS). Pour tester et valider les différentes techniques et théories, la plateforme matérielle LiveNode (LImos Versatile Embedded wireless sensor NODE) a été utilisée. En effet, la plateforme LiveNode permet de développer et de prototyper rapidement des applications dans différents domaines. Le protocole de communication CIVIC est basé sur la technique de 'broadcast' à un saut ; de ce fait il est indépendant de la spécificité du réseau. Pour les expérimentations, seule la norme d'IEEE 802.15.4 (ZigBee) a été choisie comme médium d'accès sans fil. Il est à noter que le médium d'accès sans fil ZigBee a été adopté comme le médium standard pour les réseaux de capteurs sans fil (RCSFs) et le standard 6LoWPAN ; car il est peu coûteux et peu gourmand en énergie. Bien que le protocole de communication à l'origine soit conçu pour répondre aux exigences de VANET, ses domaines d'application ne sont pas limités à VANET. Par exemple il a été utilisé dans différents projets tels que MOBI+ (système de transport urbain intelligent) et NeT-ADDED (projet européen FP6 : agriculture de précision). Les VANETs et les RCSFs sont les réseaux fortement dynamiques, mais les causes de changement topologique de réseau sont différentes : dans le réseau VANET, il est dû à la mobilité des véhicules, et dans le RCSF, il est dû aux pannes des noeuds sans fil. Il est à noter que le VANET et le RCSF sont généralement considérés comme un sous-ensemble du réseau MANET (réseau ad-hoc mobile). Cependant, ils sont réellement tout à fait différents du MANET classique, et leurs similitudes et différences seront expliquées en détail dans la thèse. La contribution principale de mes travaux est le protocole CIVIC, qui échange des messages en basant sur l'information géographique des noeuds (position). Les travaux relatifs de la thèse se concentreront sur les techniques, les problèmes et les solutions de routage géographique, mais d'autres techniques de routage seront également adressées. Quelques projets relatifs au protocole de communication ont été étudiés mais leur implémentation et les aspects d'expérimentation n'ont pas été détaillés. Enfin la thèse ne présente pas simplement les techniques et concepts adoptés, et les résultats de simulation, mais en outre, elle expliquera les aspects techniques importants pour la réalisation et l'expérimentation des différentes applications ainsi que les résultats concrets obtenus.

Les réseaux de capteurs sans fil (RCSF) sont des réseaux ad hoc généralement constitués d’entités autonomes miniaturisées appelés noeuds capteurs pouvant communiquer entre eux par liaison radio. Les RCSF ont suscité beaucoup d’engouement dans la recherche scientifique en raison notamment des nouveaux problèmes de routage sous forte contrainte de durée de vie du réseau et de faibles capacités des noeuds.Ce type de réseau diffère des réseaux filaires par ses caractéristiques et limitations qui ont motivé le développement d’une nouvelle approche de conception cross-layer ignorant certains paradigmes de l’approche classique permettant l’échange mutuel d’informations même entre couches non adjacentes. Cette approche qui n’est pas encore standardisée, a démontré son intérêt à travers plusieurs travaux visant un meilleur compromis entre consommation d’énergie et une certaine qualité de service.Nos contributions peuvent être classées en deux catégories suivant la stratégie de routage à savoir le routage ad-hoc et le routage suivant la technique de clustering.Dans la première partie, nous proposons une architecture cross-layer, modulaire, adaptable et extensible nommée XL-AODV (cross layer AODV) basée sur l'échange du SNR (Signal-to-Noise-Ratio) entre la couche réseau et la couche physique qui a été modélisée par la distribution K. Nous évaluons sous le simulateur NS2 les performances de notre approche XL-AODV. Une analyse comparative avec AODV, a montré pour différentes configurations de réseaux, l’efficacité de notre proposition en termes de gains énergétiques et de latence de bout en bout.Pour la deuxième partie, nous proposons une première approche XL-LEACH qui constitue une amélioration de la version originale de LEACH, en l'adaptant aux réseaux de capteurs denses et à grande échelle tout en tenant compte des caractéristiques de la couche physique modélisée par la distribution K. Dans une troisième partie, nous introduisons une amélioration de XL-LEACH par l'approche dite, XL-CLEACH (XL Cooperative LEACH) en intégrant la communication coopérative au niveau MAC. Nous avons prouvé par une étude analytique qui a été validée par les simulations, le gain apporté en termes de consommation d’énergie, de la durée de vie du réseau et du TES (Taux d'Erreur Symbol). Les architectures XL-LEACH et XL-CLEACH ont été implémentées sous MATLAB. / Wireless sensor networks (WSN) can be defined as an ad hoc network consisting of miniaturized autonomous entities, called sensor nodes which communicate with each other over a radio link. WSNs is a research topic which has gained a lot of interest due, in particular, to new routing problems under low node capacity and high network lifetime constraints.WSNs differ from wired networks in their characteristics and limitations which have motivated the development of a new cross-layer design that ignores certain paradigms of the classical approach allowing the mutual exchange of information even between non-adjacent layers. This approach, which is not yet standardized, has gained a lot of attention through several works aiming to energy consumption minimization under a required QoS (Quality of Service).In this thesis, our contributions can be classified are twofold according to the considered routing strategy namely the ad-hoc routing and clustering based routing.In the first part, we propose a new adaptable and extensible cross-layer design called XL-AODV (Cross Layer AODV) based on the exchange of the SNR (Signal-to-Noise-Ratio) between the network and the physical layer which has been modelled by the K distribution.We evaluate under the NS2 simulator, the performance of XL-AODV. A comparative analysis with AODV, showed for different network configurations, the efficiency of our proposition in terms of energy saving and end-to-end latency.In the second part, we propose an XL-LEACH approach which is an improvement of the original version of LEACH by its adapting to dense and large scale sensor networks. We have also taken into account the characteristics of the physical layer modelled by the K distribution.In a third part, XL-CLEACH (XL Cooperative LEACH) approach is introduced to improve XL-LEACH by integrating the cooperative communication at the MAC layer.We have proved through an analytical study and validated by simulations, the gain in terms of energy consumption, network lifetime and SER (Symbol Error Rate). The XL-LEACH and XL-CLEACH architecture were implemented under MATLAB.