Cette thèse a pour objectif l¤étude des mécanismes d¤interaction inter-couche et leurs applications pour des algorithmes adaptatifs pour contrôler les paramètres de transmission. Après une description rapide des protocoles des couches liaison et physiques du standard IEEE 802.11, nous présentons une analyse de performance des modes de transmission spécifiés par les normes 802.11a/b. La deuxième contribution de cette thèse porte sur la modélisation des réseaux 802.11. Nous proposons un modèle analytique qui prend en compte la position des terminaux radio par rapport au point d¤accès afin d¤évaluer les performances de la couche MAC. Nous proposons ensuite de nouveaux mécanismes de sélection du débit de transmission physique. Nous avons élaboré l¤algorithme AARF, basé sur l¤algorithme ARF, qui s'intéresse à la classe des terminaux dits à faible latence et offre des services d¤adaptation à court et à long terme. Un autre algorithme basé sur les mêmes idées que celles développées pour AARF, mais conçu pour fonctionner avec des systèmes à grande latence, a été implanté et expérimenté sur des terminaux à base du processeur Atheros. Enfin, nous avons élaboré un troisième algorithme de contrôle dynamique du mode de transmission en boucle fermée appelé CLARA qui est compatible avec les standards 802.11a/b/g. La dernière contribution de cette thèse porte sur l¤optimisation de la transmission de flots multimédias temps réel sur des réseaux 802.11. Nous présentons MORSA, un mécanisme d¤optimisation inter-couche efficace qui permet de sélectionner le mode de transmission à utiliser en fonction de l'état du canal de transmission et des caractéristiques de l'application.

Since two decades, we are observing a continuous evolution in wireless communications and networking technologies. This evolution creates nowadays an unprecedented demand for accessing communication services anywhere, anytime and using any device. This trend is also encouraging the rapid development of more and more novel communication services and applications. These latter require more capacity and more quality of service from the network, as well as more efficiency from the communication device. One of the main goals in current research is to design new communication solutions that are more robust and resource-efficient. In this context, our aim is to propose novel mechanisms and protocols that target the "improvement of the resource usage in wireless packet networks". Improving the resource usage can be realized at two complementary levels: the packet-level and the connection-level. In our research, we addressed and solved different facets of the resource usage issue at both levels. At the connection level, our main concern was to maintain the experienced quality of service while the users are willing to move transparently over the diverse available wireless packet networks; while at the packet-level the issue we addressed was to improve the quality of service experienced by the packet flows generated by novel data and multimedia communication services. This report presents the major research results we obtained in this field.

Cette thèse a pour but d'évaluer la performance théorique des approches coopératives pour la fiabilisation des transmissions dans les réseaux autour du corps humain. Ces réseaux sont formés d'un nombre limité de capteurs communicants disposés sur et dans le corps. Les techniques de coopération dans les réseaux de cette taille sont extrêmement dépendantes de l'information disponible quand à la qualité des canaux de communication au moment de la transmission. Sous une hypothèse de connaissance de la valeur moyenne à moyen et long terme de l'affaiblissement de ces canaux, nous dérivons une approximation du taux d'erreur paquet de bout en bout pour des techniques de relayage. Nous présentons également, pour certains de ces modèles, une allocation de puissance asymptotiquement optimale, fournissant un gain sur une large plage des puissances d'émission. En supposant ensuite que les noeuds ont une connaissance parfaite de l'état du réseau, nous étudions la capacité de Shannon sur des canaux à relais, et des canaux comprenant deux émetteurs coopérant entre eux. Pour ces deux modèles, nous montrons que lorsque l'on cherche à optimiser la répartition de puissance totale disponible à l'émission, l'étude se réduit à celle d'un modèle de canal équivalent simplifiant grandement l'analyse de la capacité et fournissant des solutions analytiques aux problèmes d'allocation de ressources. Nous présentons enfin une plate-forme de mesures pour les réseaux autour du corps humain, permettant de relever de manière quasi-simultanée l'intégralité des affaiblissements des liens entre les nœuds du réseau. Cette plateforme nous permet de traiter de la stabilité de ces liens et de la validité de l'hypothèse de réciprocité. Nous évaluons également la corrélation spatiale de l'affaiblissement des liens et nous montrons en particulier que celle-ci varie fortement au cours du mouvement, mais de façon suffisamment lente pour être estimée au fil de l'eau.

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.

Important sujet de recherche dans les télécommunications contemporaines, les réseaux de capteurs sont des réseaux sans fil constitués de plusieurs nœuds pouvant communiquer entre eux. Chaque capteur est autonome et possède une durée de vie limitée, liée à la taille de sa batterie. Dans ce contexte, l’énergie est une ressource critique qui peut être économisée en minimisant le nombre de paquets émis. De part la nature du médium radio, les données transmises subissent des pertes du canal. La fiabilisation de données dans ce contexte n’est pas simple et devient d’autant plus problématique lorsque la taille de réseau augmente. C’est dans ce contexte que s’inscrit cette thèse qui vise à fournir une technique de fiabilisation des transmissions dans un réseau de capteur. Pour cela, nous proposons de mettre en oeuvre un mécanisme de transmission qui exploite le code fontaine. Ce code est sans rendement et les symboles de redondance sont générés à la volée. Il permet de fiabiliser la transmission avec l’utilisation d’un canal de retour limité. Le code fontaine permet d’alléger le mécanisme de contrôle des transmissions tout en assurant un lien complètement fiable, ce qui permet de réduire la latence et la consommation énergétique d’une transmission. Afin d’optimiser la performance globale du réseau, nous étudions également dans cette thèse le cas où les nœuds sont autorisés à coopérer pour le relayage multi-sauts de paquets destinés à des nœuds distants. Nous montrons dans cette thèse que la technique de codage réseau permet d’introduire de la diversité d’information et ainsi d’améliorer la performance globale de transmissions multi-sauts mono-chemin. Ce résultat a été étendu à la transmission coopérative pour laquelle nous avons à la fois pu exploiter la diversité d’information et la diversité spatiale. / This thesis is dedicated to the deployment of fountain codes and network coding in a wireless sensor network (WSN). A WSN is composed of sensor nodes with restricted capacities : memory, energy and computational power. The nodes are usually randomly scattered across the monitored area and the environment may vary. In the presence of fading, outage and node failures, fountain codes are a promising solution to guaranty reliability and improve transmission robustness. The benefits of fountain codes are explored based on an event-driven WSNet simulator considering realistic implementation based on standard IEEE802.15.4. Fountain codes are rateless and capable of adapting their rate to the channel on the fly using a limited feedback channel. In this thesis, we highlight the benefits brought by fountain code in terms of energy consumption and transmission delay. In addition to the traditional transmission with fountain code, we propose in this thesis to study the network coding transmission scheme where nodes are allowed to process the information before forwarding it to their neighbors. By this means, we can say that packet diversity is exploited as each individual packet is unique and contains different representations of binary data. Redundancy is thus optimized since repetitions are avoided and replaced with diversified information. This can further lead to an overall improved performance in cooperative communication where nodes are allowed to assist in relaying packets from the source the destination. We highlight in this thesis the benefits of fountain code combined to network coding and show that it leads to a reduction in transmission delay and energy consumption. The latter is vital to the life duration of any wireless sensor network.

Récepteurs récupérateurs d’énergie sans fil (WPR) détiennent un avenir prometteur pour la génération d'énergie électrique continue afin d’alimenter complètement ou partiellement les circuits compris dans les systèmes de communication sans fil. Applications importantes telles que l'identification par radiofréquence (RFID) et les réseaux de capteurs sans fils (WSN) fonctionnant aux bandes de fréquences UHF et SHF sont apparues, nécessitant un important effort sur la conception de WPRs d’haute efficacité pour étendre la distance de fonctionnement ou de la durée de vie de ces applications portables. Dans ce contexte, les redresseurs intégrés et les antennes sont d'un intérêt particulier, car ils sont responsables pour la tâche de conversion d'énergie. Ce travail de thèse vise à faire progresser l'étatde l'art à travers de la conception et réalisation de WPRs d’haute efficacité, dès l'antenne jusqu’au stockage de la puissance DC convertie, en explorant les défis d’interconnexion avec leur pleine intégration sur PCBs. / Wireless Powered Receivers (WPR) hold a promising future for generating a small amount ofelectrical DC energy to drive full or partial circuits in wirelessly communicating electronic devices.Important applications such as RFIDs and WSNs operating at UHF and SHF bands have emerged,requiring a significant effort on the design of high efficient WPRs to extend the operating range or thelifetime of these portable applications. In this context, integrated rectifiers and antennas are of aparticular interest, since they are responsible for the energy conversion task. This thesis work aims tofurther the state-of-the-art throughout the design and realization of high efficient WPRs from the antennaup to the storage of the converted DC power, exploring the interfacing challenges with their fullyintegration into PCBs.

Notre travail s'inscrit dans le cadre des recherches sur le Sleeping mode. Notre contribution est structurée principalement autour deux axes : l'étude et l'évaluation de la performance des processus de mise en veille/réveil des points d'accès et la sélection du nombre minimal des points d'accès dans un milieu urbain dense. Dans un premier temps, nous étudions les processus de mise en veille/réveil des points d'accès dans un scenario classique de réseau domestique. Ce scenario suppose que le point d'accès mis en veille doit détecter la présence d'un utilisateur potentiel dans sa zone de couverture et réagir par conséquence d'une façon autonome pour se mettre en état de fonctionnement normal. Nous avons choisi quatre processus de réveil du point d'accès, et nous avons ensuite étudié chacun de ces processus, et proposé un protocole de communication qui permette à un utilisateur d'envoyer l'ordre au point d'accès de s'éteindre. Lorsque cela était possible, nous avons utilisé le protocole COAP qui est prévu pour établir des sessions de commande pour l'Internet des Objets. Nous avons ensuite mesuré les performances du point de vue de l'économie d'énergie qu'il permet de réaliser et du délai entre le moment où un utilisateur potentiel est détecté et le moment où le point d'accès devient opérationnel. Nous avons aussi étudié un réseau dense dans un milieu urbain (le centre ville de Rennes) où la zone de couverture d'un point d'accès pouvait être partiellement ou totalement couverte par d'autres points d'accès. Pour évaluer la redondance dans le réseau, nous avons collecté des informations réelles sur les points d'accès en utilisant l'application Wi2Me. Le traitement de ces informations nous a permis d'identifier les points d'accès existants dans la zone étudiée et leurs zones de couverture respectives démontrant ainsi la superposition de ces zones de couverture et le potentiel d'élimination d'un certain nombre de points d'accès sans affecter la couverture globale. Nous avons alors proposé un système centralisé qui collecte les données de couverture des points d'accès observée par les utilisateur. Nous avons donc utilisé ce simple fait pour centraliser la vue du réseau de plusieurs utilisateurs, ce qui permet d'avoir une vue assez précise de la disponibilité des points d'accès dans une zone géographie. Nous avons alors proposé une représentation de ces données de couverture à travers des matrices qui traitent les différentes erreurs de capture (coordonnées GPS non précises, réutilisation des noms de réseaux, etc). Enfin, nous avons ensuite proposé deux algorithmes permettant de sélectionner l'ensemble minimal des points d'accès requis fournissant une couverture identique à celle d'origine. / The main goal of the thesis is to design an Energy Proportional Network by taking intelligent decisions into the network such as switching on and off network components in order to adapt the energy consumption to the user needs. Our work mainly focuses on reducing the energy consumption by adapting the number of APs that are operating to the actual user need. In fact, traffic load varies a lot during the day. Traffic is high in urban areas and low in the suburb during day work hours, while it is the opposite at night. Often, peak loads during rush hours are lower than capacities of the networks. Thus they remain lightly utilized for long periods of time. Thus keeping all APs active all the time even when the traffic is low causes a huge waste of energy. Our goal is to benefit from low traffic periods by automatically switch off redundant cells, taking into consideration the actual number of users, their traffic and the bandwidth requested to serve them. Ideally we wish to do so while maintaining reliable service coverage for existing and new coming users. First we consider a home networking scenario. In this case only one AP covers a given area. So when this AP is switched off (when no users are present), there will be no other AP to fill the gap of coverage. Moreover, upon the arrival of new users, no controller or other mechanism exists to wake up the AP. Consequently, new arriving users would not be served and would remain out of coverage. The study of the state of the art allowed us to have a clear overview of the existing approaches in this context. As a result, we designed a platform to investigate different methods to wake up an AP using different technologies. We measure two metrics to evaluate the Switching ON/OFF process for the different methods. The first is the energy consumed by the AP during the three phases it goes through. The second is the delay of time for the AP to wake up and be operational to serve the new users. In the second case we consider a dense network such as the ones found in urban cities, where the coverage area of an AP is also covered by several other APs. In other words, the gap resulting from switching off one or several APs can be covered by other neighbouring ones. Thus the first thing to do was to evaluate the potential of switching off APs using real measurements taken in a dense urban area. Based on this collected information, we evaluate how many APs can be switched off while maintaining the same coverage. To this end, we propose two algorithms that select the minimum set of APs needed to provide full coverage. We compute several performance parameters, and evaluate the proposed algorithms in terms of the number of selected APs, and the coverage they provide.

Cette thèse aborde les performances d’un réseau corporel utilisant la technologie optique sans fil, comme alternative aux radiofréquences. L’application visée concerne la télésurveillance de patients mobiles, en milieu hospitalier. Après avoir défini les principales caractéristiques des réseaux corporels radiofréquences, notamment dans le cas de l’ultra large bande, nous présentons les avantages à utiliser la technologie optique sans fil. Nous considérons ensuite cette technologie en infrarouge, avec une méthode de propagation dite diffuse, exploitant les réflexions des rayons optiques dans l’environnement du réseau corporel. Les différentes méthodes de modélisation d’un canal optique diffus sont introduites, et nous utilisons deux types de méthodes pour modéliser le canal entre deux noeuds portés : un modèle classique dit « à une réflexion », permettant d’évaluer rapidement des variations de performances, et une méthode de lancer de rayon pour considérer un grand nombre de réflexions. En utilisant différents scénarios, ainsi que la notion de probabilité de rupture, nous montrons que l’optique diffuse permet de réaliser un lien corporel, pour les débits et la qualité de service requise par une application de télésurveillance médicale, et pour une puissance de transmission très inférieure à la limite imposée par la sécurité oculaire. Finalement, nous étudions les performances théoriques d’un réseau corporel en optique diffuse en termes de probabilité d’erreur, avec une gestion de l’accès multiple réalisé par répartition de codes optiques. Nous concluons qu’un réseau de capteurs corporels en optique diffuse est théoriquement réalisable, pour une application médicale de surveillance de patients mobiles dans l’environnement. / This thesis deals with the performance of optical girelles communications for body area networks (BAN) as an alternative solution to the radiofrequency one, in the context of mobile healthcare monitoring. After presenting the main characteristics of a BAN using the radiofrequency technology, specifically in the UWB band, we explain the advantages of the optical wireless technology. Diffuse propagation based on infrared technology is then considered for BAN, exploiting optical reflections from environment surfaces. Several optical wireless channel modeling methods are introduced, and we consider two solutions for the link between two on-body nodes: a classical method named “one reflection model”, used to estimate performance variations, and a ray-launching method, used to take into account a great amount of optical reflections. Considering several scenarios, we determine the outage probability, and show that the diffuse optical wireless technology is able to achieve an on-body link, with the data rates and the quality of service required by health monitoring applications, for a transmitted power far lower than the limit defined in standards. Then, we evaluate the theoretical performance, in terms of error probability, of an optical wireless BAN, considering the optical code division multiple access technique. Finally, we show that a BAN using optical wireless technology is theoretically feasible, regarding a health monitoring application, and considering the mobility of the patient in indoor environment.

Les avancées technologiques de ces dernières années, combinées au succès avéré et toujours croissant des communications sans fil, ont tout naturellement donné naissance à un nouveau type de réseaux sans fil, communément appelés Body Area networks. A terme, ces réseaux corporels sans fil doivent permettre à un ensemble de senseurs bio-médicaux répartis sur le corps humain de communiquer, soit pour échanger des informations en vue d'un traitement en temps réel du patient, soit pour enregistrer des données physiologiques en vue d'une analyse ultérieure.<p><p>L’objectif de cette Thèse vise la réduction de la consommation énergétique au niveau des senseurs de sorte à leur garantir une autonomie de quelques mois, voire de quelques années. En réponse à cette contrainte énergétique, une association innovante de deux technologies émergentes est proposée, à savoir une combinaison des transmissions à ultra-large bande aux systèmes à multiples antennes. Une nouvelle architecture pour les réseaux corporels sans fil est donc envisagée pour laquelle les performances doivent être évaluées. Notre principale contribution à cet objectif consiste en la proposition d'une modélisation spatio-temporelle complète du canal de transmission dans le cadre de senseurs répartis autour du corps. Cette modélisation fait appel à la définition de nouveaux modèles, l'élaboration d'outils spécifiques d'extraction de paramètres et une compréhension fine des mécanismes de propagation liés à la proximité du corps humain. Ce manuscrit présente les résultats majeurs de nos recherches en cette matière.<p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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