Ce mémoire de thèse se place dans le contexte des applications de surveillance de l’environnement nécessitant des mesures régulières de caractéristiques biologiques ou géo-physiques. Il s’agit par exemple de mesurer la propagation de polluants dans les cours d’eau, de surveiller le développement de bactérie dans des eaux de baignade. Les réseaux de capteurs sans fils (RCsF) apparaissent comme des solutions économiques et fiables pour permettre l’automatisation de la collecte de telles données. Le bon fonctionnement de ces réseaux dépend de la qualité des transmissions radio, ce qui est particulièrement vrai dans des milieux où les conditions sont peu favorables à la propagation des ondes radio et où les liens peuvent donc se révéler intermittents. L’objectif de ce travail est de proposer une solution protocolaire efficace dans de telles conditions, dans le cas particulier d’un réseau de capteur déployé à la surface de l’eau. Le mémoire débute par la description d’une méthodologie, des mécanismes et d’une plate-forme destinée à explorer la qualité d’un lien radio situé à la surface de l’eau. Nous présentons différentes mesures qui ont été effectuées. Les solutions protocolaires que nous proposons prennent en compte le caractère évolutif de la topologie due à l’instabilité des liens radio afin d’améliorer l’efficacité de la collecte et de réduire la consommation énergétique des noeuds. Notre approche est basée sur la reconstruction périodique de la topologie, la communication entre les noeuds par rendez-vous définis par des fenêtres de transmissions, l’utilisation du multi-canal pour drainer les données et l’adaptation de la taille des fenêtres de transmission en fonction du trafic local. L’ensemble de ces propositions est validé par prototypage et par simulation sur NS-3. Les résultats montrent que notre solution est capable de collecter les données dans une topologie dynamique tout en réduisant à la fois le délai de collecte et la consommation énergétique. / This thesis takes place in the context of environmental monitoring applications requiring regular measurements of biological or geophysical characteristics. These applications include for instance the measuring of the spread of pollutants in rivers, monitoring of the development of bacteria in bathing waters, etc. Wireless Sensor Networks (WSNs) provide cost-effective and reliable solutions to allow the automation of such data gathering. The good functioning of these networks depends on the quality of the radio transmissions, which is particularly true in environments where the conditions are not suitable for the propagation of radio waves and where the links may therefore be intermittent. The objective of this work is to propose an effective protocol solution under such conditions, in the particular case of a sensor network deployed on the water surface. The thesis begins with a description of the methodology, mechanisms and a platform for exploring the quality of a radio link displayed at the water surface. We present different measures that have been carried out. The protocol solutions we propose take into account the evolutionary nature of the topology due to the instability of the radio links in order to improve the efficiency of the data gathering and to reduce the energy consumption of the nodes. Our approach is based on the periodic reconstruction of the topology, the communication between nodes by appointments defined by transmission windows, the use of the multi-channel to drain the data and the adaptation of the transmission window size as a function of local traffic. All these propositions are validated by prototyping and simulation using NS-3. The results show that our solution is capable of collecting data in a dynamic topology while reducing both gathering time and energy consumption.

Les réseaux de capteurs sans fil (RCSFs) sont constitués d’un grand nombre de noeuds de capteurs qui sont généralement alimentés par batterie et conçu pour fonctionner pendant une grande période. Les domaines d’application sont nombreux et variés, tel que le domaine environnementale, médicale et militaire.L’atout majeur de ce dispositif est un déploiement à grande échelle sans aucune maintenance. Les capteurs n’ont pas besoin d’une infrastructure établie pour parvenir à transmettre des données vitales à l’étude de l’environnement. Il est nécessaire également de garantir une bonne qualité de service, car les réseaux de capteurs sans fils doivent intégrer des mécanismes qui permettent aux utilisateurs de prolonger la durée de vie du réseau en entier, car chaque noeud est alimenté par une source d’énergie limitée et généralement irremplaçable.C’est pourquoi, il est nécessaire d’optimiser la consommation d’énergie à tous les niveaux de conception de ce type de réseau. Par conséquent, la minimisation de la consommation d’énergie est un facteur de conception des plus importants dans les réseaux de capteurs.Le but de cette thèse est étudier les différents techniques de routages existant dans un contexte sans fil multi-saut afin d’obtenir de meilleures performances. Nous portons notre étude sur les protocoles de routages les plus connus afin de proposer dans une deuxième partie un nouveau protocole de routage permettant d’optimiser la consommation d’énergie dans les réseaux de capteurs sans fil, en gardant une qualité de service optimale. / Wireless sensor networks (WSNs) are composed of a large number of sensor nodes that are typicallybattery-powered and designed to operate for a long period. Application areas are many and varied, such as the environmental field, medical and military.The major advantage of this device is a large-scale deployment without any maintenance. The sensors do not need to achieve an established infrastructure to transmit vital data to the study of the environment. It is also necessary to ensure good quality service, because without son sensor networks must incorporate mechanisms that allow users to extend the life of the entire network, as each node is supplied by a limited power source and generally irreplaceable. Therefore, it is necessary to optimize the power consumption at all levels of design of this type of network. Accordingly, minimization of power consumption is one of the most important design factors in sensor networks.The aim of this thesis is study the different existing routing techniques in a context without multi-hop son to get better performance. We carry our study of the most popular routing protocols to offer in a second part a new routing protocol for optimizing energy consumption without son sensor networks, keeping an optimal quality of service.

Les Réseaux de Capteurs Sans Fil (RCSF ou Wireless Sensor Network - WSN) sont l'une des technologies les plus importantes du 21ème siècle. La plupart des chercheurs et les analystes estiment que, dans un proche avenir, ces micro-capteurs seront intégrés partout dans l’environnement de notre vie quotidienne. Ces dernières années, l'Internet des Objets (Internet of Things - IoT) est également une des technologies émergentes qui se développe rapidement. Deux nouveaux standards permettent de déployer des réseaux sans fil de faible consommation énergétique connectés à internet : le protocole 6LowPAN (Low power Wireless Personal Area Networks) qui permet notamment d’apporter l’adressage IPv6 aux capteurs grâce à l’encapsulation et la compression des données et le protocole de routage RPL (IPv6 routing protocol for low-power and lossy network) qui permet à l’information de circuler dans les WSN de proche en proche à un faible coût énergétique. Bien que le développement de ces techniques soit extrêmement rapide, plusieurs problèmes causés principalement par le manque de ressources des micro-capteurs (puissance limitée de traitement, problèmes de bande passante et de connexion des liens avec perte de données, problème de ressource énergétique limitée) demeurent et doivent être résolus, notamment pour les applications agro-environnementales. / The wireless sensor network (WSN) is one of the most important technologies of the 21st century. Most researchers and technical analysts believe that in the near future, these micro-sensors will be integrated into the environment of our daily lives. In recent years, the IoT (Internet of Things) and WoT (Web of Things) technologies also have great forwarding. Especially, the IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks (6LoWPAN) protocol has allowed the use of IPv6 protocol stack in the field of WSN, thanks to its encapsulation and compression mechanisms in IPv6 packet header. Moreover, the RPL (IPv6 Routing Protocol for Low-power and Lossy Network) provides such a powerful routing function that can be applied for a variety of application scenarios. These two key standards of IoT and WoT technologies for WSN can be used in an IPv6 stack, and they will successfully achieve the connection between Internet and micro-sensors. Thus, due to the availability of IPv6 address (128-bit), all the communicating objects, such as smart device, sensor, and actuator, can be connected to the Internet. That is the greatest advantage brought by the IoT. Although the progress of these techniques is extremely fast, several issues caused by resource constraints of micro-sensor (limited processing power, bandwidth and lossy connection link, and energy), such as QoS, energy efficient, robustness and lifetime of WSN, and the most important, the special requirement of agricultural applications. Notice that Precision Agriculture is are still very challenging and waiting to be solved. Essentially, these open questions would dabble in the aspects like telemedicine, remote home automation, industrial control etc. Thus, the results obtained in this work will have a significant impact on both economic and scientific. Economically, it can offer a solution for WSN to support sustainable development in the field of agriculture automation. While scientifically, we will contribute to the routing protocol standardization of wireless micro-sensors in the domain of environmental monitoring.

Les réseaux sans fil 802.11 sont en train d'être considérés comme étant la pierre angulaire des systèmes de communication autonomes. En permettant aux usagers de communiquer les uns avec les autres avec les stations de base fixées a des endroits bien précis par l'intermédiaire de protocoles de communication comme les protocole de routage ad hoc. Le standard IEEE 802.11 propose des spéciations pour les deux couches basses (MAC et Physique) du modelé OSI. La couche MAC (Medium Access Control) introduit deux mécanismes d'accès au médium sans fil qui sont différents l'un de l'autre. Le mécanisme DCF (accès au canal distribue ou Distributed Coordination Function), l'accès au canal s'exécute dans chaque station sans faire appel à une unité centrale. Le mécanisme PCF (Point Coordination Function), contrairement au mécanisme DCF l'accès au canal se fait à l'aide d'une unité centrale. Le mécanisme le plus utilise par la norme 802.11 est DCF vu qu'il ne nécessite pas d'infrastructure au déploiement. Pour améliorer la qualité de service dans les réseaux sans multi- sauts, cette thèse aborde cette problématique dans deux couches de la pile protocolaire, à savoir la couche routage et la couches MAC. Elle améliore le routage a QoS en utilisant le protocole de routage a état de lien optimisé (OLSR) et améliore aussi l'efficacité de l'accès au médium sans fil lors du fonctionnement de la couche MAC en mode le plus courant DCF. Pour l'amélioration de routage, nous proposons une approche basée sur le graphe de conflit pour l'estimation de la bande passante partagée entre les nœuds adjacents. Pour la couche MAC, nous proposons un nouveau schéma de Backoff nomme l'algorithme Backoff de Padovane (PBA), pour améliorer l'efficacité de l'accès au médium sans fil dans les réseaux sans fil mobiles Ad Hoc (MANETs). / IEEE 802.11 based wireless networks are considered the cornerstone of autonomous communication systems. These networks allow users to communicate with each others via base stations deployed in specic locations through a set of dedicated communication protocols like Ad Hoc routing protocols. The IEEE 802.11 standard proposes specications for both physical and MAC layers of the OSI model. MAC layer denes dierent types of access to the wireless medium as explained below. The DCF (Distributed Coordination Function) mechanism, in which the access to the medium is executed localy in each station. The PCF (Point Coordination Function) method, unlike DCF mechanism the access the medium is managed by a central unit. The most widespread mechanism among them is the DCF mode as it does not require any infrastructure deployment. To improve the Quality of Service (QoS) oered to the dierent applications in multihop wireless networks, this thesis proposes original solutions to enhance the eciency of certain protocols in two dierent layers of OSI, i.e., routing and MAC layers. More specically, our proposed solutions enable higher eciency of OLSR protocol and ensure more ecient usage of the available bandwidth through the designed Padovan based medium access scheme operating in DCF mode. The routing approach used in OLSR is improved by applying the conict graphs to acquire more accurate estimation of the bandwidth shared with the adjacent nodes. At MAC layer, the number of collisions in dense networks is signicantly reduced by designing new backo scheme dubbed Padovan Backo Algorithm (BEB).

No description available.

Les réseaux sans fil 802.11 sont en train d'être considérés comme étant la pierre angulaire des systèmes de communication autonomes. En permettant aux usagers de communiquer les uns avec les autres avec les stations de base fixées a des endroits bien précis par l'intermédiaire de protocoles de communication comme les protocole de routage ad hoc. Le standard IEEE 802.11 propose des spéciations pour les deux couches basses (MAC et Physique) du modelé OSI. La couche MAC (Medium Access Control) introduit deux mécanismes d'accès au médium sans fil qui sont différents l'un de l'autre. Le mécanisme DCF (accès au canal distribue ou Distributed Coordination Function), l'accès au canal s'exécute dans chaque station sans faire appel à une unité centrale. Le mécanisme PCF (Point Coordination Function), contrairement au mécanisme DCF l'accès au canal se fait à l'aide d'une unité centrale. Le mécanisme le plus utilise par la norme 802.11 est DCF vu qu'il ne nécessite pas d'infrastructure au déploiement. Pour améliorer la qualité de service dans les réseaux sans multi- sauts, cette thèse aborde cette problématique dans deux couches de la pile protocolaire, à savoir la couche routage et la couches MAC. Elle améliore le routage a QoS en utilisant le protocole de routage a état de lien optimisé (OLSR) et améliore aussi l'efficacité de l'accès au médium sans fil lors du fonctionnement de la couche MAC en mode le plus courant DCF. Pour l'amélioration de routage, nous proposons une approche basée sur le graphe de conflit pour l'estimation de la bande passante partagée entre les nœuds adjacents. Pour la couche MAC, nous proposons un nouveau schéma de Backoff nomme l'algorithme Backoff de Padovane (PBA), pour améliorer l'efficacité de l'accès au médium sans fil dans les réseaux sans fil mobiles Ad Hoc (MANETs). / IEEE 802.11 based wireless networks are considered the cornerstone of autonomous communication systems. These networks allow users to communicate with each others via base stations deployed in specic locations through a set of dedicated communication protocols like Ad Hoc routing protocols. The IEEE 802.11 standard proposes specications for both physical and MAC layers of the OSI model. MAC layer denes dierent types of access to the wireless medium as explained below. The DCF (Distributed Coordination Function) mechanism, in which the access to the medium is executed localy in each station. The PCF (Point Coordination Function) method, unlike DCF mechanism the access the medium is managed by a central unit. The most widespread mechanism among them is the DCF mode as it does not require any infrastructure deployment. To improve the Quality of Service (QoS) oered to the dierent applications in multihop wireless networks, this thesis proposes original solutions to enhance the eciency of certain protocols in two dierent layers of OSI, i.e., routing and MAC layers. More specically, our proposed solutions enable higher eciency of OLSR protocol and ensure more ecient usage of the available bandwidth through the designed Padovan based medium access scheme operating in DCF mode. The routing approach used in OLSR is improved by applying the conict graphs to acquire more accurate estimation of the bandwidth shared with the adjacent nodes. At MAC layer, the number of collisions in dense networks is signicantly reduced by designing new backo scheme dubbed Padovan Backo Algorithm (BEB).

No description available.

This thesis dissertation addresses the problem of energy constraints in ad hoc wireless networks. In this sort of networks nodes are generally powered by means of batteries, which involves significant limitations regarding the time of operation of devices. The nodes whose battery level describes important energy depletion represent potential elements for loss of connectivity, which results in an increase of packet loss rate. Therefore, the management of energy expenditure is one of the main research challenges to face in ad hoc networks, especially when developing applications in real scenarios. However, energy management is not a trivial task due to the inherent features of this kind of networks, such as the distributed operation as well as the access medium mechanism. In that sense, traditional solutions of energy optimization based on the definition of power-saving intervals (sleep mode) are not suitable considering the operational characteristics of an ad hoc network, due to the substantial deterioration of network connectivity. In addition, the exponential growth of applications focused on the transmission of multimedia contents (especially video) available on mobile devices involves specific quality of service levels. Consequently, the design of solutions for the optimization of energy resources should be carried out without degrading the Quality of Experience perceived by the users. The contributions of this thesis are focused, in the first place, on the analysis of those factors which generate an increase of the energy consumption in the wireless medium and are related to the principle of operation of the radio interface. In particular, the intense operation in reception mode on the interference areas, as a result of the overhearing effect, as well as the high number of transmission retries due to channel access contention, are defined as the main aspects that increase energy demand in the network. On the other hand, with the aim of optimizing energy resources in the nodes without causing damage on the Quality of Service, this thesis proposes meaningful improvements to the routing protocol by means of a cross-layer scheme. Specifically, the designed mechanism carries out an evaluation of both the energy capacity available in the nodes and the distribution of devices along the wireless medium. To that end, this proposal introduces a new metric in the routing computation process, called strategic value, which reports the importance of a node in the network in terms of connectivity (i.e. number of neighbor nodes). This scheme aims to reduce the energy expenditure caused by the overhearing effect along the areas with higher node density as well as to extend the lifetime for those nodes with higher number of neighbors which are strategic to preserve network connectivity. Additionally, considering the current pragmatic approach in ad hoc networks focused on the design of specific applications, the evaluation hereby presented has been performed by means of a simulation environment and also through the implementation of a testbed. Specifically, the operation of the proposed scheme has been analyzed on a set of ad hoc nodes which has been implemented through development platforms. Also, a software tool has been developed in order to control and configure the experiments. Results prove that the proposal allows to extend the lifetime of the network as well as to increase packet reception rate as a consequence of the prevention in the route breakages due to energy depletion. Finally, it is worth mentioning that the knowledge acquired by the design, configuration and analysis of experiments by means of hardware devices, has motivated the development of proposals and application studies of ad hoc networks in real environments, which represent an additional contribution of this thesis dissertation. / El presente trabajo de tesis doctoral aborda la problemática de las limitaciones de energía en redes inalámbricas ad hoc. En este tipo de redes, los nodos generalmente emplean baterías como fuente de alimentación, lo que limita de forma dramática la autonomía de funcionamiento. Los nodos con mayor agotamiento de energía constituyen potenciales elementos para la pérdida de conectividad parcial o total de la red ocasionando el incremento de la pérdida de paquetes. Por tanto, la gestión eficiente del gasto es uno de los principales desafíos a enfrentar en el ámbito de investigación de redes ad hoc, en especial para el desarrollo de aplicaciones en escenarios reales de operación. Sin embargo, dicha gestión no es una tarea trivial debido a las características inherentes de este tipo de redes, como por ejemplo la operación distribuida, así como el acceso compartido al medio inalámbrico. En tal sentido, los mecanismos usuales de optimización del gasto de energía basados en el establecimiento de períodos de bajo consumo (modo sleep), no se ajustan a las características operativas de una red ad hoc, debido al impacto notable que ocasionan sobre la conectividad en la red. Además, el crecimiento significativo de las aplicaciones y servicios de distribución de contenidos multimedia, especialmente tráfico de vídeo, demandan niveles específicos de calidad de servicio. Por consiguiente, el diseño de soluciones de optimización de los recursos de energía disponible en los nodos no debe implicar la degradación de la calidad de experiencia percibida por los usuarios finales. Las contribuciones del trabajo de tesis se centran, en primer lugar, en el análisis de los factores que incrementan el gasto de energía en el medio inalámbrico y que están relacionados con el principio de operación de la interfaz de radio. En particular, el incremento dramático del funcionamiento en modo recepción ocasionado sobre las zonas de interferencia por el efecto overhearing así como el mayor número de intentos de transmisión debido a la contienda por el acceso al canal, se definen como las principales causas que incrementan la demanda de energía en la red. Por otra parte, con el objetivo de optimizar los recursos de energía disponibles en los nodos sin ocasionar un perjuicio sobre la calidad de servicio, en el presente trabajo de tesis se proponen mejoras al protocolo de encaminamiento mediante un esquema cross-layer. En concreto, el mecanismo diseñado realiza una evaluación de la capacidad de energía disponible en los nodos, así como de la distribución de los dispositivos en el medio inalámbrico. Con tal fin, la propuesta introduce en el cómputo de enrutamiento una métrica nueva denominada valor estratégico, la cual reporta la importancia de un nodo en la red en términos de conectividad (número de dispositivos vecinos). El esquema apunta a reducir el gasto de energía ocasionado por el efecto overhearing en las zonas con mayor densidad de dispositivos, así como extender la autonomía de operación sobre aquellos nodos con mayor número de vecinos, que resultan estratégicos para conservar la conectividad en la red. Además, de forma consecuente con el actual enfoque pragmático en redes ad hoc orientado al diseño de soluciones para escenarios específicos de aplicación, la evaluación de la propuesta se ha realizado tanto en un entorno de simulación, así como mediante la implementación de un testbed. Específicamente, se ha analizado la operación del mecanismo de enrutamiento propuesto sobre un conjunto de nodos ad hoc implementados mediante plataformas de desarrollo. Adicionalmente, se ha desarrollado una herramienta para el control y configuración de los experimentos. Los resultados demuestran que la propuesta permite extender el tiempo de operación de la red, así como incrementar la tasa de paquetes en recepción como consecuencia de la prevención en la ruptura de los enlaces por agotamiento / El present treball de tesi doctoral aborda la problemàtica de les limitacions d'energia en xarxes sense fil ad hoc. En este tipus de xarxes, els nodes generalment empren bateries com a font d'alimentació, la qual cosa limita de forma dramàtica l'autonomia de funcionament. Els nodes amb major esgotament d'energia constituïxen potencials elements per a la pèrdua de connectivitat parcial o total de la xarxa, ocasionant l'increment de la pèrdua de paquets. Per tant, la gestió eficient de la despesa és un dels principals desafiaments a enfrontar en l'àmbit d'investigació de xarxes ad hoc, en especial per al desenvolupament d'aplicacions en escenaris reals d'operació. No obstant això, aquesta gestió no és una tasca trivial a causa de les característiques inherents d'este tipus de xarxes, com per exemple l'operació distribuïda així com l'accés compartit al mitjà sense fil. En este sentit, els mecanismes usuals d'optimització de la despesa d'energia basats en l'establiment de períodes de baix consum (mode sleep), no s'ajusten a les característiques operatives d'una xarxa ad hoc, a causa de l'impacte notable que ocasionen sobre la connectivitat a la xarxa. A més, el creixement significatiu de les aplicacions i serveis de distribució de continguts multimèdia, especialment tràfic de vídeo, demanden nivells específics de qualitat de servei. Per tant, el disseny de solucions d'optimització dels recursos d'energia disponible en els nodes no ha d'implicar la degradació de la qualitat d'experiència percebuda pels usuaris finals. Les contribucions del treball de tesi se centren, en primer lloc, en l'anàlisi dels factors que incrementen la despesa d'energia en el mitjà sense fil i que estan relacionats amb el principi d'operació de la interfície de ràdio. En particular, l'increment dramàtic del funcionament en mode recepció, ocasionat sobre les zones d'interferència per l'efecte overhearing, així com el major nombre d'intents de transmissió a causa de la contesa per l'accés al canal, es definixen com les principals causes que incrementen la demanda d'energia a la xarxa. D'altra banda, amb l'objectiu d'optimitzar els recursos d'energia disponibles en els nodes sense ocasionar un perjudici sobre la qualitat de servici, en el present treball de tesi es proposen millores al protocol d'encaminament mitjançant un esquema cross-layer. En concret, el mecanisme dissenyat realitza una avaluació de la capacitat d'energia disponible en els nodes així com de la distribució dels dispositius en el mitjà sense fil. Amb tal fi, la proposta introduïx en el còmput d'encaminament una nova mètrica denominada valor estratègic, la qual reporta la importància d'un node en la xarxa en termes de connectivitat (nombre de dispositius veïns). L'esquema reduix la despesa ocasionada per l'efecte overhearing a les zones amb major densitat de dispositius i estén l'autonomia d'operació sobre aquells nodes amb major nombre de veïns, que resulten estratègics per conservar la connectivitat a la xarxa. A més, de forma conseqüent amb l'actual enfocament pragmàtic en xarxes ad hoc orientat al disseny de solucions per a escenaris específics d'aplicació, l'avaluació de la proposta s'ha realitzat tant en un entorn de simulació així com per mitjà de la implementació d'un testbed. Específicament, s'ha analitzat l'operació del mecanisme d'encaminament proposat sobre un conjunt de nodes ad hoc implementats mitjançant plataformes de desenvolupament. Addicionalment, s'ha desenvolupat una eina per al control i configuració dels experiments. Els resultats demostren que la proposta permet estendre el temps d'operació de la xarxa així com incrementar la taxa de paquets en recepció com a conseqüència de la prevenció en la ruptura dels enllaços per esgotament d'energia. / González Martínez, SR. (2017). Diseño de un Esquema Cross-Layer para el Balance entre Eficiencia Energética y Calidad de Servicio en la Transmisión de Tráfico Multimedia en Redes Ad-Hoc [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/84284

Este trabalho propõe estratégias de roteamento e de controle de acesso ao meio destinadas as redes urbanas, motivadas pelo monitoramento e controle de variáveis elétricas relacionadas à iluminação pública. Tais estratégias foram desenvolvidas segundo requisitos da aplicação, trabalhos encontrados na literatura, limitações do protocolo IEEE 802.15.4 e as especificações RFC 5548 e IEEE 802.15.4e (draft). As estratégias desenvolvidas foram incorporadas a protocolos encontrados na literatura, as quais geraram protocolos aperfeiçoados para redes urbanas, dentre eles GGPSR e gradiente em função da maior distância, utilizados para o tráfego divergente e convergente, respectivamente. O protocolo GGPSR é composto pelo algoritmo geográfico GPSR, geocast e retransmissões para os vizinhos seguindo o critério do GGPSR em caso de falha. O protocolo baseado na maior distância é composto pelo algoritmo do gradiente, o qual utiliza a maior distância no caso de receptores com pesos de gradiente iguais e retransmissões seguindo o mesmo critério. Foi utilizado um modelo de propagação realista, no qual foi aplicada a estratégia de mapeamento de vizinhos dos nós de acordo com a distância aproximada fornecida pelo atributo do pacote RSSI. Além disso, para ambos os tipos de tráfego, foi aplicado o mecanismo de controle de acesso ao meio RIT com o objetivo de minimizar o consumo energético. A avaliação dos protocolos gerados a partir dessas estratégias foi feita em simulação utilizando a ferramenta NS-2 integrada em cenários de grande escala fornecidos pela concessionária de iluminação pública Elektro, segundo os critérios de energia remascente da rede, média de atraso fim a fim e taxa de entrega fim a fim. Os resultados obtidos mostram que os protocolos gerados superam protocolos propostos na literatura; além disso, a estratégia baseada na distância obtida pelo atributo RSSI viabiliza a aplicação do protocolo GGPSR. Em relação à aplicação do RIT com a estratégia de parâmetros em função do gradiente, esta se mostrou mais eficiente em comparação com os parâmetros de RIT iguais para todos os nós. / This work proposes routing and medium access control strategies for urban networks, particularly related to monitoring and control of electric variables in the street lighting system. Such strategies were developed according to application requirements, studies in the literature, limitations of the IEEE 802.15.4 protocol, and RFC 5548 and IEEE 802.15.4e (draft) specifications. Strategies were incorporated into protocols found in the literature, which generated specific improved protocols for urban networks, including GGPSR and Gradient based on the farthest neighbor, applied to divergent and convergent traffic, respectively. The GGPSR protocol is composed by the GPSR algorithm, geocast and retransmissions to neighbors according to the GGPSR criterion when a failure occurs. The protocol based on the longest distance comprises the gradient algorithm, which considers the longest distance when receivers have equal gradient weights and retransmissions follow the same criterion. A realistic propagation model was used, implementing the strategy to map neighboring nodes according to the approximate distance provided by the RSSI packet attribute. Moreover, for both traffic ypes, the RIT medium access control mechanism was used in order to minimize energy consumption. Protocols generated by these strategies were evaluated through simulation in NS-2 tool applied to large scale scenarios provided by public street lighting concessionaire Elektro, according to the criteria of remaining energy network, end-to-end average delay and end-to-end delivery rate. Results show that the generated protocols outperform protocols proposed in the literature; in addition, the strategy based on the distance obtained by the RSSI attribute enables the use of the GGPSR protocol. Regarding the use of RIT considering the parameters as a function of the gradient, this strategy is more efficient compared to using the same RIT parameters for all nodes.

Le plan d’attribution du spectre présente un problème de déficit de ressources dans les réseaux sans fil. En 2002, la FCC (Federal Communication Commission) a rapporté que le spectre radioélectrique était de 20% à 85% sous-utilisé. L’utilisation inefficace du spectre est un problème majeur qui doit être résolu si l’on veut que les communications radio se développent. La FCC a ensuite changé la politique de gestion du spectre pour la rendre plus souple en s’interessant à l’approche radio cognitive (CR). La radio cognitive est un type de radio intelligente qui explore l’environnement de fréquences radio, apprend et décide d’utiliser la partie inutilisée du spectre. Les principales fonctions de la CR sont la détection, la prise de décision, et le partage. Cependant, ces radios doivent respecter les infrastructures sans fil standards en minimisant leur impact sur les appareils prioritaires, également appelés systèmes primaires. La coexistence entre les systèmes CR et les systèmes primaires nécessite des processus d’observation et de gestion des interférences dédiés. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à la phase d’observation du point de vue CR. La zone de chevauchement entre un émetteur CR et l’émetteur primaire (PR) est analysée et prise en compte. L’impact de cette zone est appris par simulation et présenté dans le chapitre 4. En conséquence, des interférences potentielles sont envisagées. Durant la phase d’observation, nous étudions un mécanisme permettant de mieux prévenir la perturbation sur les dispositifs PR en utilisant le Grey Model et le filtre de Kalman comme modèle de prédiction de la densité des récepteurs primaires. En complément à cette observation, nous fournissons une stratégie visant à combiner les observations obtenues en une mesure qui pourra être utilisée par le routage dans le cadre de la coexistence entre réseaux radio cognitive (CRN) et réseaux primaires. La stratégie proposée utilise la logique floue et est présentée dans le chapitre 5. Dans ce chapitre, nous étudions comment la couche réseau réagit et prend les bonnes décisions pour maximiser l’utilisation des ressources du spectre, tout en évitant les interférences avec les récepteurs primaires. Par exemple, un noeud CR peut fonctionner dans une zone de recouvrement, si les récepteurs primaires sont inactifs dans cette zone. Ainsi, nous avons proposé un mécanisme de routage basé sur le protocole de routage DYMO qui prend en compte l’impact relatif observé. Dans ce même chapitre, nous avons également présenté des scénarios pratiques illustrant l’utilité de notre proposition. L’interconnexion des noeuds CR dans le CRN est aussi un problème crucial pour la mise en place du réseau. C’est pourquoi nous présentons un processus de diffusion par balises au chapitre 6. Dans ce chapitre, nous décrivons également un dispositif pratique conçu pour des expériences en radio cognitive. Même si notre travail se rapporte à différentes couches de la pile protocolaire, le cadre général que nous avons conçu est multicouches. En effet, les composants accèdent aux différentes couches pour récupérer l’information, la traiter et réagir en conséquence. Ainsi, notre travail constitue un environnement inter-couches pour un dispositif radio cognitive local visant à minimiser les interférences et à maximiser les ressources réseau dans les réseaux radio cognitive. / A fixed spectrum assignment scheme has a problem with resource deficiency in a wireless network. In 2002, the US Federal Communication Commission (FCC) reported that the radio spectrum was 20% to 85% under-utilized. The insufficient use of the spectrum is a critical issue for radio communication; as communication grows, a fixed spectrum becomes more limiting. The FCC then changed its spectrum management policy to make it more flexible by investigating the cognitive radio (CR) approach. Cognitive radio is a type of intelligent radio that explores the radio frequency environment, learns, and decides to use the unused portion of the frequency. The main functions of a CR are sensing, decision making, and sharing. However, these radios have to respect the standard wireless infrastructures by ensuring the least impact with their devices, also known as primary radios. Coexistence between CR systems and primary systems requires dedicated observation processes and interference management. In this thesis, observation from a CR point of view is presented. The overlapping area between a CR transmitter and primary radio (PR) transmitter is analysed so that it can be taken into account. The impact of this area is learnt by simulation and presented in Chapter 4. As a consequence, potential interference is envisaged. Along with observation, we investigate a proper mechanism to better prevent perturbation on PR devices using the Grey model and Kalman filter as a prediction model for predicting the density of primary receivers. In addition, we provide a strategy to combine the obtained observations into a metric that can be used in routing design in the context of coexistence between Cognitive Radio Networks (CRNs) and primary networks. The proposed strategy, using fuzzy logic, is presented in Chapter 5. In this chapter, we investigate how the routing layer reacts and makes the right decisions to maximise the spectrum resources, while avoiding interference with the primary receivers. For instance, a CR node can operate in an overlap region if primary receivers are inactive within this area. Also, we propose a routing mechanism based on the DYMO routing protocol that takes into account the observed relative impact. In the same chapter, we provide some practical scenarios illustrating the usefulness of our proposal. Interconnecting the CR nodes in CRNs is also a critical problem for the establishment of the network. We therefore present a beacon-based dissemination process in Chapter 6. In this chapter, we also describe a practical device designed for cognitive radio experiments. Even though our work affects different protocol layers, the designed framework is cross-layered. Indeed, the different components of the proposed framework access the various layers to retrieve information, process it, and react accordingly. Thus, our work constitutes a cross-layer framework for a local cognitive radio that aims to minimise the interference and maximise the network resources in cognitive radio networks.