La conception d'une plate-forme matérielle pour un noeud de réseaux de capteurs (RdC) est un véritable défi car elle est soumise à des contraintes sévères. La consommation d'énergie est souvent considérée comme la contrainte la plus forte donnée la petite taille et les besoins d'autonomie d'un noeud. De nos jours, les noeuds s'appuient sur des microcontrôleurs (MCUs) faible consommation disponibles dans le commerce. Ces MCUs ne sont pas adaptés au contexte de RdC car ils sont basés sur une structure de calcul généraliste et ils consomment trop d'énergie par rapport au budget d'énergie d'un noeud. Dans cette thèse, nous proposons un flot de conception complet, depuis le niveau système, se basant sur le concept de micro-tâches matérielles avec coupure de la tension d'alimentation (Power Gating). Dans cette approche, l'architecture d'un noeud est constituée d'un ensemble de micro-tâches matérielles qui sont activées selon un principe événementiel, chacune étant dédiée à une tâche spécifique du système (ex. la couche MAC, le routage, etc.). Ces micro-tâches sont gérées par un ordonnanceur matériel (System Monitor) qui est automatiquement généré à partir d'une description système, dans un langage spécifique (DSL), du graphe des tâches d'un noeud de RdC. En combinant la spécialisation du matériel et la technique du power gating, nous réduisons considérablement les énergies dynamique et statique d'un noeud de RdC. Les résultats montrent que des gains en énergie dynamique de 1 à 2 ordres de grandeur sont possibles par rapport aux mises en oeuvre à base des MCUs (ex. le MSP430). De plus, des gains de 1 ordre de grandeur en énergie statique sont également obtenus grâce à l'utilisation du power gating.

Cette thèse présente nos travaux à la fois théoriques et techniques sur la fourniture de la qualité de service dans les réseaux de capteurs sans fil, travaux développés principalement pour la détection en temps réel d'événements. Le premier problème fondamental pour assurer une qualité de service est la connectivité d'un réseau. La probabilité de non-isolation de nœud est donnée garantissant une borne supérieure de 1-connectivité du réseau. Un deuxième problème traité concerne la considération conjointe du problème de connectivité de communication et de couverture de détection. Ce problème étant formalisé comme un problème d'optimisation multi-objectif, un algorithme heuristique du type génétique a été développé, permettant ainsi d'aider au déploiement. Pour assurer la communication des données en temps réel et de façon fiable, un protocole de routage basé sur SPEED a été développé. Les simulations ont montré une amélioration notable de performances par rapport aux solutions existantes. Afin d'assurer la fiabilité de l'information finale, un ensemble de règles de fusion de décision a été proposé. Quant à son implémentation réelle avec moins de complexité sur des nœud de ressources limitées, trois alternatives sousoptimales ont été proposées et qui donnent des performances satisfaisantes dans des plages de rapport signal sur bruit.

Les réseaux BAN (Body Area Network) révolutionnent le concept de la surveillance et de la prise en charge à distance de la santé du patient. Le BAN fournit des informations sur l'état de santé du patient en temps réel quelque soit l'endroit où il se trouve. Dans le « télé monitoring », des capteurs de mouvement, de respiration ou du rythme cardiaque placés à l'intérieur ou sur le corps humain transmettent des données via le réseau sans fil constituant le BAN, une antenne étant associée à chaque nœud du réseau. La communication peut être in/on, on/on ou on/off selon que les antennes sont placées à l'intérieur, sur ou à l'extérieur du corps. Le développement des BAN nécessite la réalisation de modèles (ou fantômes) simulant au mieux les propriétés électromagnétiques du corps humain. Des antennes portables, miniaturisées doivent être réalisées avec des contraintes d'intégration d'une part (aux vêtements, à des objets type montre ou badge), des contraintes de résistance ou de prise en compte de l'influence du corps d'autre part. La réduction de l'impact des antennes sur les tissus en terme de SAR (Specific Absorption Rate) doit également être considérée. Dans ce travail, l'objectif est de développer des fantômes valables pour les communications dans et sur le corps. Les matériaux de base sélectionnés sont d'origine biologique (biocéramiques et biopolymères) avec des propriétés proches de celles des tissus humains. Ces fantômes étant biocompatibles, ils sont essentiellement non toxiques alors que les fantômes usuels le sont en général. D'autre part, différents types d'antennes conformables, fonctionnant dans la bande ISM 2.4 GHz ont été développées et étudiées dans la perspective du BAN. Les antennes voient leur adaptation et leur efficacité chuter au contact ou à proximité du corps, ce qui constitue un écueil majeur pour établir une bonne communication. Différentes méthodes permettant de réduire l'influence du corps (plan de masse à l'arrière, surface haute impédance, feuille de ferrite polymère) sont testés et leurs avantages et inconvénients développés. Des mesures de SAR permettent aussi de démontrer l'efficacité de ces méthodes sur la réduction de la puissance absorbée par les tissus. Au final, ce travail apporte une contribution à l'étude théorique et expérimentale de l'interaction entre corps humain et antenne dans le cadre des réseaux BAN appliqués à la télésurveillance de la santé

Cette thèse propose une nouvelle approche pour la concrétisation des réseaux sans fil de nouvelle génération et de leurs nouveaux usages. Elle privilégie une séparation tem- porelle de la pile réseau, avec une première partie dédiée aux opérations temps réel, et une seconde partie organisée autour d'une architecture de traitement de paquets, construite dans un même espace permettant ainsi des optimisations inter-couches. La faisabilité de cette approche est vérifiée tout d'abord par l'étude des plates-formes flexibles permettant la réalisation de nouvelle méthode d'accès, puis au travers de PACMAP, un outil de manipulation de paquet en espace utilisateur, dont les fonc- tionnalités seront illustrées au travers du prototypage d'une solution originale au pro- blème de la mobilité, Virtual AP.

Les systèmes de communications mobiles ont considérablement évolué durant ces dernières années. Ce fait a encouragé le déploiement de plusieurs systèmes ou réseaux cellulaires multi technologique. La qualité de service (QoS) offerte aux utilisateurs mobiles s'améliore d'un système à l'autre. Les systèmes de troisième génération (3G), comme l'UMTS, offrent une meilleure qualité de service par rapport à celle offerte par ceux de deuxième génération (2G), comme le GSM. Pour exemple, les systèmes de 3.5G (HSDPA) améliorent le débit du réseau de 3G sur le lien descendant afin de répondre aux exigences des nouveaux services. De plus, les réseaux de quatrième génération (4G), comme le WiMAX (IEEE802.16e) permettent, quant à eux, d'élargir la couverture cellulaire tout en offrant un débit supérieur. Cette nouvelle évolution améliore encore l'accessibilité aux services de l'Internet. La migration des services de l'Internet vers les réseaux mobiles, constitue un enjeu majeur de recherche en télécommunications. La thèse se divise en deux objectifs principaux ; le premier consiste à calculer et à évaluer les performances du système UMTS-WCDMA. Deux approches sont utilisées, l'approche exacte de l'analyse spectrale, et l'approche approximative de la perturbation singulière. Le deuxième objectif propose de nouveaux mécanismes de contrôle d'admission prenant en considération la mobilité intra et inter cellulaires des utilisateurs dans la gestion de la ressource radio. Ces mécanismes d'allocation de ressource concernent plus particulièrement les réseaux HSDPA et WiMAX. Ils se basent principalement sur les schémas de modulation et de codage adaptatif AMC (Adaptive Modulation and Coding) : la zone géographique est subdivisée en plusieurs régions concentriques. Avec nos mécanismes d'allocation des ressources, chaque appel accepté par le système voit son débit initial maintenu, et ce, indépendamment de la position de l'utilisateur dans la cellule

Le système OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) utilise plusieurs sous-porteuses pour transmettre de l'information. Comparé à un schéma mono-porteuse, la modulation multi-porteuses OFDM permet d'obtenir facilement des réglages optimaux (au sens de la capacité de Shannon) pour une transmission à haut débit sur un canal sélectif en fréquence. En ce sens, on peut alors garantir une transmission fiable et une meilleure gestion de l'énergie utilisée. Lors de la transmission avec une modulation OFDM, les sous-porteuses utilisent des canaux différents qui n'ont pas forcement la même atténuation. Allouer le même niveau de puissance à chaque sous-porteuse ne garantit pas une capacité optimale dans une liaison point à point. Une allocation dynamique de la puissance (c'est-à-dire attribuer différents niveaux de puissance aux sous-porteuses en fonction du canal) donne de meilleures performances. Par contre, dans une situation de diffusion (broadcast), l'émetteur ne connaît pas les canaux vers tous les utilisateurs, et la meilleure stratégie consiste à émettre avec la même puissance sur toutes les sous-porteuses. Cette thèse a pour objectif d'explorer les situations intermédiaires, et de proposer les outils d'allocation de puissance appropriés. Cette situation intermédiaire est appelée " multicast ", ou " multidiffusion " : l'émetteur envoie les signaux vers un nombre fini (pas trop grand) d'utilisateurs, dont il connaît les paramètres de canaux, et il peut adapter son émission à cette connaissance des canaux. On est donc dans une situation intermédiaire entre le " point à point " et la " diffusion ". L'objectif final de ce travail est d'évaluer le gain apporté par la connaissance des canaux en situation de multicast par rapport à la même communication effectuée comme si on était en diffusion. Bien évidemment, quand le nombre de destinataires est très grand, les gains seront négligeables, car le signal rencontre un nombre très élevé de canaux, et une allocation de puissance uniforme sera quasi optimale. Quand le nombre est très faible, on sera proche du point à point et les gains devraient être sensibles. Nous proposons des outils pour quantifier ces améliorations dans les cas de systèmes ayant une antenne à l'émission et une antenne à la réception, dit SISO (Single Input Single Output) et de systèmes avec plusieurs antennes, dits MIMO (Multiple Input Multiple Output). Les étapes nécessaires pour réaliser ce travail sont : 1) En supposant une connaissance préalable de l'état des canaux (entre station de base et terminaux), mettre en œuvre les outils de la théorie de l'information pour effectuer l'allocation de puissance et évaluer les capacités des systèmes étudiés. 2) Pour le système multi-utilisateur SISO-OFDM, nous proposons un algorithme d'allocation de puissance sur chaque sous porteuse dans une situation de multicast. 3) Pour le système multi-utilisateur MIMO-OFDM, nous proposons un algorithme qui exploite les caractéristiques du précodage "zero forcing". L'objectif est alors de partager la puissance disponible entre toutes les sous-porteuses et toutes les antennes. 4) Enfin, dans une dernière étape nous nous intéressons à une conception efficace de la situation de diffusion, afin de déterminer à l'aide d'outils de géométrie stochastique quelle zone peut être couverte afin qu'un pourcentage donné d'utilisateurs reçoivent une quantité d'information déterminée à l'avance. Ceci permet de déterminer la zone de couverture sans mettre en œuvre des simulations intensives. La combinaison de ces outils permet un choix efficace des situations qui relèvent de la " diffusion ", du " multicast " et du " point à point ".

Ce mémoire de thèse s'intéresse aux réseaux hétérogènes de capteurs sans fil (Wireless Sensor Networks - WSNs) constitués par une multitude de dispositifs de détection qui coexistent malgré leurs caractéristiques différentes. Contrairement aux réseaux homogènes de capteurs, chaque capteur d'un réseau hétérogène est capable de détecter et mesurer différents phénomènes physiques (température, pression, humidité) et générer ainsi un trafic avec des caractéristiques spécifiques, différentes d'un capteur à l'autre. En effet, selon l'application visée, le déploiement initial des nœuds peut être aléatoire, résultant en une répartition non-homogène des nœuds dans l'environnement. Autres facteurs comme l'extinction d'un nœud suite à l'épuisement de sa batterie ou à une faute générique peuvent impacter l'hétérogénéité de la répartition des nœuds. Tous ces phénomènes peuvent être perçus comme une source supplémentaire d'hétérogénéité dans les réseaux de capteurs sans fil. Puisque les facteurs d'hétérogénéité peuvent évoluer tant au cours du temps que dans l'espace, il est indispensable de concevoir des mécanismes adaptatifs pour les réseaux hétérogènes de capteurs afin de réagir et de s'adapter à la dynamique du réseau. De tels mécanismes adaptatifs sont toutefois difficiles à mettre en place. L'objectif majeur de cette thèse est d'étudier les problèmes liés à l'hétérogénéité dans les réseaux de capteurs sans fil afin de concevoir des méthodes de contrôle de l'accès au canal (Medium Access Control - MAC) qui s'adaptent à la dynamique de l'hétérogénéité tout en étant économe d'un point de vue énergétique. Deux sources d'hétérogénéité sont envisagées. Dans un premier temps, nous considérons les problématiques liées aux sources dans trafics multiples chacune dotée de caractéristiques et contraintes spécifiques. Pour pallier ce problème, un protocole MAC adaptatif basé sur une approche asynchrone est proposé ; il consiste en une méthode MAC de préservation de l'énergie, couplée à l'utilisation d'un instant de rendez-vous pour la transmission des données. Le protocole proposé, LA-MAC pour Low-Latency MAC, permet de garantir de façon efficace le transport de messages au travers d'un réseau multi-sauts grâce à la transmission d'agrégats de données (bursts). De vastes campagnes de simulations numériques corroborent la supériorité de LA-MAC en termes de latence, de taux de paquets correctement délivrés et de consommation énergétique par rapport à d'autres protocoles présentés dans l'état de l'art. Dans un second temps, nous étudions des réseaux dynamiques de capteurs sans fil, dont la densité de nœuds varie en temps et en espace. Cette densité des nœuds dans le réseau peut se définir comme étant le nombre de dispositifs avec des données à émettre par mètre carré. En effet, de brusques augmentations de la densité résultent en un accroissement du taux de paquets perdus en raison d'une hausse de la probabilité de collision des trames. En outre, une baisse de la densité des nœuds peut causer un gaspillage énergétique dû à une écoute oisive. Dans ce mémoire, nous traitons des réseaux dynamiques de capteurs sans fils dans lesquels les nœuds et les liens radio entre ces nœuds peuvent apparaître ou disparaître au cours du temps en raison de l'épuisement de leurs batterie, ou de toute autre opération d'administration du réseau, comme par exemple le déploiement de nœuds additionnels. Le travail présenté démontre qu'il est possible de fournir un support à la qualité de service (QoS) dans les réseaux dynamiques grâce à une méthode MAC adaptative et consciente de la densité, baptisée DA-MAC pour Density Aware MAC. Avec DA-MAC, les nœuds s'appuient sur la valeur de la densité locale et adaptent périodiquement les paramètres locaux qui régissent le protocole afin d'accéder au canal sans collision. L'efficacité du protocole proposé est présentée en comparaison d'autres protocoles de l'état de l'art dans de vastes campagnes de simulations numériques.

Ces dernières années ont été marquées par l'intégration dans les interfaces de réseaux sans fil de fonctionnalités de plus en plus nombreuses : qualité de service, routage, sécurité, mobilité, etc. Ces interfaces évoluent aujourd'hui vers des systèmes autonomes adaptatifs. Le problème de la simulation dans ce contexte est que l'écart technologique entre ces équipements et les moutures de simulation disponibles est devenu trop grand. Les systèmes en composants offrant un meilleur potentiel d'adaptation et d'évolution que les structures monolithiques classiques, nous proposons l'application du principe de modularisation aux cartes réseaux dans les simulateurs. Cette thèse est une réflexion autour de la flexibilité et de la réutilisation des composants dans les interfaces réseaux des simulateurs sans fil. Nous avons recours pour ce faire aux méthodes d'ingénierie logicielle FODA (Feature Oriented Domain Analysis) et FORM (Feature Oriented Reuse Method) pour définir l'ensemble des fonctionnalités possibles d'une interface réseau et les mapper dans une structure logicielle. La structure ainsi définie met en oeuvre plusieurs styles d'architecture dont les machines virtuelles, les systèmes à évènements et les processus communicants. Une suite d'outils permettant la comparaison des simulateurs est également proposée dans le cadre de la validation d'un tel système. Nos contributions sont les suivantes. (i) La conception et l'implémentation d'une suite d'outils dédiée à la comparaison et à la validation des simulateurs grâce à la mesure et à la certification par rapport aux spécifications. La solution se base sur un format de trace standard très détaillé baptisé 'langage neutre'. (ii) La définition d'un procédé de mapping des préoccupations utilisateurs vers une architecture de simulation. Celui s'appuie sur les méthodes FODA et FORM. (iii) La définition d'un prototype de carte réseau basé sur cette méthodologie.

Les travaux présentés dans cette thèse sont divisés en deux parties. La première partie est consacrée au développement d'un code de calcul électromagnétique basé sur la méthode TLM (Transmission Line Matrix) pour la modélisation des géométries très hétérogènes, nécessitant la prise en compte de maillages non-conformes localement raffinés. Cet aspect multi-échelle consiste à résoudre un problème de couplage spatio-temporel. Le couplage spatial est mis en œuvre en utilisant la technique des transformateurs introduite par Wlodarczyk. Notre effort s'est porté plus particulièrement sur le couplage temporel afin de pouvoir utiliser le pas temporel maximum dans chaque sous-maillage. Des techniques d'interpolation temporelle de type Taylor de second ordre et cubique Spline ainsi qu'une méthode de prédiction temporelle inspirée de la méthode de Prony-Pisarenko pour l'analyse spectrale ont été mises en œuvre et évaluées. La deuxième partie est consacrée à la conception de rectennas. Ces structures non linéaires, à la géométrie complexe et hétérogène, intégrant des diodes Schottky, sont les éléments clés des systèmes de transmission ou de récupération d'énergie sans fil. Leur simulation globale (circuit-électromagnétique) dans le domaine temporel par la TLM constitue un avantage par rapport aux logiciels commerciaux qui nécessitent des ajustements de certains paramètres SPICE par des réalisations et caractérisations expérimentales à priori, compliquant ainsi le processus de conception. Cela a permis de prédire avec précision le rendement de conversion d'une rectenna globale et de développer puis caractériser expérimentalement deux rectennas compactes fonctionnant à 2.45GHz.

Cette thèse traite de l'amélioration du transfert de données, d'une part sur les réseaux sans-fils et d'autre part pour des données continues telles que la vidéo. Pour améliorer les transmissions sur les réseaux sans-fils nous nous sommes intéressés au contrôle de congestion des protocoles de transport mais nous avons également proposé une méthode pratique d'adaptation de la vidéo aux conditions du réseau.Cette thèse contient donc deux volets. La première porte sur la différenciation de pertes entre les pertes de congestion et les pertes sur le réseau sans fil. Il est connu que lors d'une perte, les protocoles de transport actuels réduisent le débit (par deux par exemple). Or, pour les pertes sans fil, cela n'a pas d'intérêt. Pour différencier ces pertes sur l'émetteur des données, nous proposons une méthode originale qui utilise à la fois ECN (Explicit Congestion Notification) et le changement sur le RTT du paquet qui suit la perte. La seconde propose une méthode originale d'adaptation vidéo au niveau de la couche application sur l'émetteur. Avec l'arrivée des vidéos à bitrate élevés (HD, 3D) et l'augmentation constante mais irrégulière des bandes passantes réseau, la qualité vidéo à l'utilisateur reste à la traîne : elle est non-optimale (bitrate beaucoup plus petit ou plus grand que le débit disponible) et non adaptable (aux conditions dynamiques du réseau). Nous proposons une méthode très simple à implémenter, puisqu'elle ne requiert qu'une modification côté émetteur au niveau de la couche application. Elle adapte en permanence le bitrate de la vidéo aux conditions du réseau, autrement dit elle fait un contrôle de congestion sur l'émetteur. La visioconférence est un cas d'application idéal. Cette méthode fonctionne au-dessus de tout protocole de transport avec contrôle de congestion (TCP, DCCP), ce qui lui confère aussi la propriété de TCP-friendliness.