Dans cette thèse, nous nous intéressons à cette gestion des données dans les réseaux de capteurs sans fil intégrés dans un contexte IoT. Plus précisément, nous aborderons la problématique du stockage des données au sein même du réseau de capteurs en se posant la question suivante : Comment stocker provisoirement les données dans le réseau de capteurs de sorte que ces données soient facilement accessible par les consommateurs tout en assurant le meilleur compromis entre la fiabilité de livraison des donnés et la préservation des ressources énergétiques des capteurs ?Il s'agit dans un premier temps de proposer un système fiable de stockage de données basé sur la théorie du codage réseau et sur le modèle de communication « Publish/Subscribe ». Le système proposé est adapté à l'architecture des réseaux de capteurs ainsi qu'aux besoins des applications et services IoT localisés. Pour démontrer la validité du système de stockage proposé, des évaluations de performances au travers d'une analyse mathématique et de simulations sont conduites. Celles-ci montrent clairement une augmentation de la fiabilité de la livraison des données aux consommateurs avec un taux de livraison des paquets de 80% en moyenne. Afin d'améliorer encore plus les performances du système de stockage de données, nous proposons, dans un second temps, l'optimisation du système afin que celui-ci puisse réaliser le stockage des données de manière adaptative et autonome, tout en assurant le meilleur compromis entre fiabilité et coût. Ce dernier se traduit par l'impact du système de stockage sur la consommation d'énergie du réseau de capteurs sans fil. À notre connaissance, notre système est le premier à proposer d'assurer la fiabilité du stockage des données en fonction des demandes des services et des conditions du réseau. L'évaluation des performances, par simulation, de notre système de stockage adaptatif et autonome montre que l'optimisation du stockage des données (formulée sous forme d'un processus de décision Markovien (MDP)) selon les conditions de fonctionnement du réseau permet l'accès à 70% de données en plus comparativement au système non-adaptatif proposé précédemment. Ce résultat est obtenu tout en augmentant la durée de vie du réseau de 43%.Après avoir travaillé sur l'aspect quantitatif des performances du réseau à travers une étude sur le compromis coût - consommation énergétique, nous nous intéresserons dans la troisième contribution de cette thèse à l'utilisation de notre système de stockage dans des réseaux de capteurs sans fil disposant de cycles de services (cycle d'endormissement-réveil) variables. Aujourd'hui, les réseaux de capteurs reposant sur le standard 802.15.4 peuvent utiliser des cycles de services variables et avoir recours à l'endormissement des nœuds dans le but d'économiser leur énergie. Dans une première partie de cette contribution, nous avons ainsi proposé une amélioration du mécanisme de gestion du cycle de service (duty cycle) du standard 802.15.4 afin de le rendre dynamique et adaptable au trafic réseau. L'évaluation des performances par simulations de l'amélioration proposée montre que celle-ci aboutit à une économie d'énergie très significative tout en permettant au réseau de capteurs sans fil de remplir sa mission de prise en charge du trafic généré. Dans une seconde partie de cette contribution, nous évaluons les performances de notre système de stockage de données dans le but d'évaluer si un tel mécanisme pourrait cohabiter positivement avec un mécanisme de cycle de service variable (condition d'exploitation réaliste du réseau). L'évaluation des performances montre que l'activation d'un cycle de service variable dans le réseau de capteurs n'apporte aucune amélioration au niveau de la consommation énergétique mais que le compromis optimal entre la fiabilité et la consommation énergétique obtenu par notre système de stockage adaptatif et autonome n'est pas non plus affecté, celui-ci est maintenu / Wireless Sensor Networks (WSN) are made up of small devices limited in terms of memory, processing and energy capacity. They work interconnected and autonomously in order to monitoring a region or an object of interest. The evolution in the development of devices more powerful (with new capability such as energy harvesting and acting) and less expensive made the WSNs a crucial element in the emergence of Internet of Things (IoT). Nonetheless, assuming the new applications and services offered in the IoT scenario, new issues arise in the data management performed in the WSNs. Indeed, in this new context, WSNs have to deal with a large amount of data, now consumed on-demand, while ensure a good trade-off between its reliability and retrievability, and the energy consumption. In the scope of this thesis, we are interested in the data management in the WSN in the context of IoT realm. Specifically, we approach the problem of in-network data storage by posing the following question: How to store data for a short term in the WSNs so that the data could be easily retrieved by the consumers while ensuring the best trade-off between data reliability and conservation of energy resources? Foremost, we propose a reliable data storage scheme based on coding network, and assuming a communication model defined by the Publish/Subscribe paradigm. We validate the efficiency of our proposal by a theoretical analyses that is corroborate by a simulation evaluation. The results show that our scheme achieves a reliability of 80% in data delivery with the best cost-benefit compared to other data storage scheme. Aiming to further improve the performance of the data storage scheme proposed in our first contribution, we propose its optimization (modeling it as a Markov Decision Process (MDP)) in order to store data with optimal trade-off between reliability and communication overhead (in this context, also seen as energy consumption), and in an autonomously and adaptive way. For the best of our knowledge, our optimized data storage scheme is the only to ensure data reliability while adapt itself according to the service requirements and network condition. In addition, we propose a generalization of the mathematical model used in our first contribution, and a system model that defines the integration of WSNs performing our data storage scheme in the context for which it was envisaged, the IoT realm. Our performance evaluation shows that our optimization allows the consumers to retrieve up to 70% more packets than a scheme without optimization whereas increase the network lifetime of 43%.Finally, after being interested in finding the best trade-off between reliability and cost, we now focus on an auxiliary way to reduce the energy consumption in the sensor nodes. As our third contribution, we propose a study, in two parts, to measure how much a node activity scheduling can save energy. First, we propose an improvement in the duty cycle mechanism defined in the 802.15.4. Then, we propose a duty cycle mechanism introduced into our data storage scheme aiming at saving energy in the storage nodes. The simulation results show that our solution to the duty cycle mechanism in 802.15.4 led in considerable saving in energy costs. However, regarding duty cycle in our data storage scheme, it did not end up in more energy saving. Actually, as our optimized scheme already saves as much resource energy as possible while ensuring high reliability, the duty cycle mechanism can not improve the energy saving without compromise the data reliability. Nonetheless, this result corroborates that our scheme, indeed, performs under the optimal trade-off between reliability and communication overhead (consumption energy)

Les progrès technologiques réalisés ces dernières années ont permis le développement de nouveaux types de capteurs dotés de moyens de communication sans fil, peu onéreux et pouvant être configurés pour former des réseaux autonomes. Les domaines d'application sont nombreux : domotique, santé, domaine militaire ou bien encore surveillance de phénomènes environnementaux. Les limites imposées sont la limitation des capacités de traitement, de stockage et surtout d'énergie. La liberté laissée à l'implantation est forte et impose de concevoir complètement l'infrastructure, les mécanismes et les protocoles en fonction de l'application visée. Dans cette thèse, nous nous sommes tout d'abord focalisés sur des réseaux de petites tailles. Nous avons conçu une solution protocolaire "Placide" pour le suivi de la chaîne du froid proposée dans le cadre du projet ANR-CAPTEURS. L'originalité première de la solution repose sur l'absence d'infrastructure et de Station de Base. Elle est composée de protocoles performants fondés sur la formation d'un anneau virtuel entre les noeuds, auto-organisants et très économes en énergie. Le second axe est dédié à une étude expérimentale de la qualité du lien.L'objectif est double. Nous souhaitions tout d'abord étayer certaines hypothèses effectuées dans la première partie du travail. Il s'agissait ensuite de proposer des protocoles et des algorithmes fondés sur la qualité du lien. Nous nous sommes focalisés sur la variation de la qualité du lien en fonction de la distance entre les noeuds et de la puissance de transmission. Par la suite, l'impact de la qualité du lien sur la topologie du réseau a été étudiée. Les retours d'expérience sont importants quant à la compréhension des facteurs affectant la durée de vie du réseau. La dernière contribution concerne l'exploitation de ces observations en proposant des stratégies de partage decharge. Notre idée est que des protocoles très réduits et des mécanismes simples peuvent être mis en oeuvre pour le routage. Nous illustrons ces principes au travers d'exemples pour lesquels nous montrons la supériorité de ces solutions par rapport à des routages de type plus court chemin. / Technological advances during the last few years allowed the development of new and cheap sensors equiped with wireless communication which can be configured to form autonomous networks. The application areas for wireless sensor networks (WSN) are various: home automations, health care services, military domain, and environment monitoring. The imposed constraints are limited capacity of processing, storage, and especially energy. In addition, implementing WSN solutions is highly open and requires that the infrastructure, the mechanisms and the protocols should be completely designed based on each specific application.In this thesis, we first focused on small networks. We designed « Placide », a protocol stack solution for cold chain monitoring proposed within the ANR-CAPTEURS project. The first originality of this solution is based on the absence of infrastructure and base stations. « Placide » is composed of self-organizing and energy-efficient protocols based on a virtual ring construction between nodes. The second topic is devoted to an experimental study on Link Quality Indicator (LQI). There are two main objectives. Firstly, we want to endorse our precise assumptions of the first part of the work. Secondly, our poposed link quality based protocols and algorithms willbe described. We focused on LQI variations according to distance between nodes and transmission power.Thereafter, the impact of LQI on the network topology has been studied. Feedbacks are important to understand which factors affect the network lifetime. The last contribution relates to the use of these observations by proposing load balancing strategies. Our idea is that very reduced protocols and simple mechanisms can be used in routing protocols. We illustrate these principles through simple examples where we show the superiority of these solutions compared to standard routing like shortest path for example.

La demande courante de connectivité instantanée impose un cahier des charges très strict sur la fabrication des circuits Radio-Fréquences (RF). Les circuits doivent donc être transférées vers les technologies les plus avancées, initialement introduites pour augmenter les performances des circuits purement numériques. De plus, les circuits RF sont soumis à de plus en plus de variations et cette sensibilité s’accroît avec l’avancées des technologies. Ces variations sont par exemple les variations du procédé de fabrication, la température, l’environnement, le vieillissement… Par conséquent, la méthode classique de conception de circuits “pire-cas” conduit à une utilisation non-optimale du circuit dans la vaste majorité des conditions, en termes de performances et/ou de consommation. Ces variations doivent donc être compensées, en utilisant des techniques d’adaptation.De manière plus importante encore, le procédé de fabrication des circuits introduit de plus en plus de variabilité dans les performances des circuits, ce qui a un impact important sur le rendement de fabrication des circuits. Pour cette raison, les circuits RF sont difficilement fabriqués dans les technologies CMOS les plus avancées comme les nœuds 32nm ou 22nm. Dans ce contexte, les performances des circuits RF doivent êtres calibrées après fabrication pour prendre en compte ces variations et retrouver un haut rendement de fabrication.Ce travail de these présente une méthode de calibration post-fabrication pour les circuits RF. Cette méthodologie est appliquée pendant le test de production en ajoutant un minimum de coût, ce qui est un point essentiel car le coût du test est aujourd’hui déjà comparable au coût de fabrication d’un circuit RF et ne peut être augmenté d’avantage. Par ailleurs, la puissance consommée est aussi prise en compte pour que l’impact de la calibration sur la consommation soit minimisé. La calibration est rendue possible en équipant le circuit avec des nœuds de réglages et des capteurs. L’identification de la valeur de réglage optimale du circuit est obtenue en un seul coup, en testant les performances RF une seule et unique fois. Cela est possible grâce à l’utilisation de capteurs de variations du procédé de fabrication qui sont invariants par rapport aux changements des nœuds de réglage. Un autre benefice de l’utilisation de ces capteurs de variation sont non-intrusifs et donc totalement transparents pour le circuit sous test. La technique de calibration a été démontrée sur un amplificateur de puissance RF utilisé comme cas d’étude. Une première preuve de concept est développée en utilisant des résultats de simulation.Un démonstrateur en silicium a ensuite été fabriqué en technologie 65nm pour entièrement démontrer le concept de calibration. L’ensemble des puces fabriquées a été extrait de trois types de wafer différents, avec des transistors aux performances lentes, typiques et rapides. Cette caractéristique est très importante car elle nous permet de considérer des cas de procédé de fabrication extrêmes qui sont les plus difficiles à calibrer. Dans notre cas, ces circuits représentent plus des deux tiers des puces à disposition et nous pouvons quand même prouver notre concept de calibration. Dans le détails, le rendement de fabrication passe de 21% avant calibration à plus de 93% après avoir appliqué notre méthodologie. Cela constitue une performance majeure de notre méthodologie car les circuits extrêmes sont très rares dans une fabrication industrielle. / The current demand on ubiquitous connectivity imposes stringent requirements on the fabrication of Radio-Frequency (RF) circuits. Designs are consequently transferred to the most advanced CMOS technologies that were initially introduced to improve digital performance. In addition, as technology scales down, RF circuits are more and more susceptible to a lot of variations during their lifetime, as manufacturing process variability, temperature, environmental conditions, aging… As a result, the usual worst-case circuit design is leading to sub-optimal conditions, in terms of power and/or performance most of the time for the circuit. In order to counteract these variations, increasing the performances and also reduce power consumption, adaptation strategies must be put in place.More importantly, the fabrication process introduces more and more performance variability, which can have a dramatic impact on the fabrication yield. That is why RF designs are not easily fabricated in the most advanced CMOS technologies, as 32nm or 22nm nodes for instance. In this context, the performances of RF circuits need to be calibrated after fabrication so as to take these variations into account and recover yield loss.This thesis work is presenting on a post-fabrication calibration technique for RF circuits. This technique is performed during production testing with minimum extra cost, which is critical since the cost of test can be comparable to the cost of fabrication concerning RF circuits and cannot be further raised. Calibration is enabled by equipping the circuit with tuning knobs and sensors. Optimal tuning knob identification is achieved in one-shot based on a single test step that involves measuring the sensor outputs once. For this purpose, we rely on variation-aware sensors which provide measurements that remain invariant under tuning knob changes. As an auxiliary benefit, the variation-aware sensors are non-intrusive and totally transparent to the circuit.Our proposed methodology has first been demonstrated with simulation data with an RF power amplifier as a case study. Afterwards, a silicon demonstrator has then been fabricated in a 65nm technology in order to fully demonstrate the methodology. The fabricated dataset of circuits is extracted from typical and corner wafers. This feature is very important since corner circuits are the worst design cases and therefore the most difficult to calibrate. In our case, corner circuits represent more than the two third of the overall dataset and the calibration can still be proven. In details, fabrication yield based on 3 sigma performance specifications is increased from 21% to 93%. This is a major performance of the technique, knowing that worst case circuits are very rare in industrial fabrication.

L'utilisation des canaux multiples améliore significativement les performances globales des réseaux de capteurs sans fil (RCSF) en permettant des transmissions parallèles sur plusieurs canaux. Cependant, la mise en place d’un protocole MAC multi-canal dans un réseau multisauts nécessite une méthode efficace d’allocation des canaux pour permettre une coordination entre les nœuds afin de partager les canaux disponibles. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la conception d’un protocole MAC multi-canal qui répond aux exigences des applications de collecte de données à haut débit dans un réseau multi-saut. Pour ce faire, nous abordons d’abord les principales façons d’utiliser plusieurs canaux pour réaliser le partage du médium. Ensuite, nous proposons un protocole MAC multi-canal, répondant aux exigences des RCSF à haut débit, qui combine les trois techniques TDMA, CSMA et FDMA. En effet, nous utilisons une nouvelle méthode d’allocation des canaux qui permet aux nœuds de choisir le canal de réception le plus convenable dans leurs voisinages jusqu’à 3-sauts d’une façon distribuée afin de minimiser les effets des interférences et des collisions. Enfin, nous évaluons par simulation les performances de notre protocole et nous le comparons à d’autres protocoles proposés dans la littérature. Les résultats obtenus montrent l’efficacité de notre proposition dans les différents scénarios étudiés. / The use of multi-channel significantly improves the overall network performance of wireless sensor networks (WSNs) by allowing parallel transmissions over multiple channels. However, the design of a multi-channel MAC protocol in a multi-hop network requires an efficient channel allocation method that allows the coordination between the nodes in order to share available channels. In this thesis, we focus on the conception of a multi-channel MAC protocol that meets the requirements of high data collection applications in a multi-hop network. In order to achieve this goal, we first present the main techniques to use multiple channels to realize medium access sharing. Then, we propose a multi-channel MAC protocol that meets the requirements of high data rate WSNs, which combines three techniques TDMA, FDMA and CSMA. Indeed, we use a new channel assignment method that enables nodes to choose the most convenient channel in their 3-hop neighborhood in a distributed manner in order to minimize the effects of interferences and collisions. Finally, we evaluate by simulation the performance of our protocol and we compare it to other protocols proposed in the literature. The results show the efficiency of our proposition in the different studied scenarios.

Un des objectifs majeurs des systèmes de communication est de pouvoir transmettre des données aux plus hauts débits possibles. La demande croissante des utilisateurs pour la communication sans fil à haut débit excède déjà les possibilités des réseaux actuels. Afin de répondre à cette problématique, nous présentons des systèmes de communication basés sur des fréquences porteuses térahertz (THz), fréquences suffisamment élevées pour supporter des débits supérieurs à la centaine de gigahertz. En particulier, nous nous intéressons au développement et à l'intégration d'un détecteur haut débit destiné à la communication THz sans fil. Nous utilisons comme détecteur un transistor GaAs à haute mobilité électronique (HEMT). Contrairement aux détecteurs existants tels que les diodes Schottky, le transistor étudié offre des avantages en ce qui concerne le coût, la compacité et les performances. En particulier, l'impédance de sortie est mieux adaptée aux circuits intégrés hauts débits d'impédance d'entrée de 50 Ohm. Nous présentons une caractérisation de ce détecteur en sensibilité et en bande passante de modulation, démontrant pour la première fois sa capacité à être utilisé pour des communications à haut débit. L'intégration du transistor, indispensable à la réalisation de communications réelles, est détaillée. Une communication THz sans fil est démontrée à des fréquences de 0,200 THz et 0,309 THz. Pour la première fois, une transmission de données sans erreur a été démontrée jusqu'à un débit de 8,2 Gbps avec un transistor GaAs HEMT à une fréquence porteuse de 0,309 THz. Enfin, nous présentons de nouveaux transistors avec antenne intégrée permettant des communications à plus haut débit et de plus grande portée, grâce à une meilleure sensibilité. / One of the major objectives of communication systems is the ability to transmit data at the highest possible rates. The ever-growing user demand for wireless communication already exceeds capacities of present networks.In order to solve this problem, we introduce communication systems based on terahertz (THz) high-frequency carriers, whose frequencies are high enough to support data-rates higher than a hundred of gigahertz. In particular, we are interested in the development and the integration of a high data-rate detector intended for THz wireless communication.We use a GaAs High-electron-mobility transistor (HEMT) as detector. Unlike existing detectors such as Schottky diodes, the transistor studied in this thesis offers advantages in terms of cost, compactness and performances. In particular, the output impedance is more suitable for high data-rate integrated circuits whose input impedance is 50 Ohm. We present the characterization of the detector in terms of sensitivity and modulation bandwidth, demonstrating for the first time its ability to be used for high data-rate communications. The transistor's integration, essential for real communications, is detailed.A wireless THz communication is demonstrated around 0.200 THz and 0.309 THz. For the first time, an error-free transmission at data-rates up to 8.2 Gbps is demonstrated, using a GaAs plasma wave HEMT and a 0.309 THz carrier frequency. Finally, we present new transistors with integrated antenna, allowing communications at higher data-rates and with a longer range, thanks to a better sensitivity.

Au cours de ces dernières années, la quantité de trafic que les utilisateurs Internet produisent sur une base quotidienne a augmenté de façon exponentielle, principalement en raison du succès des services de streaming vidéo, tels que Netflix et YouTube. Alors que les réseaux de diffusion de contenu (Content-Delivery Networks, CDN) sont la technique standard utilisée actuellement pour servir les demandes des utilisateurs, la communauté scientifique a formulé des propositions connues sous le nom de Content-Centric Networks (CCN) pour changer la pile de protocoles réseau afin de transformer Internet en une infrastructure de distribution de contenu. Dans ce contexte, cette thèse de doctorat étudie des techniques efficaces pour la distribution de contenu numérique en tenant compte de trois problèmes complémentaires : 1) Nous considérons le scénario d’un réseau hétérogène sans fil, et nous formulons un mécanisme pour motiver les propriétaires des points d’accès à partager leur capacité WiFi et stockage cache inutilisés, en échange d’une contribution économique.2) Nous étudions le problème centralisé de planification du réseau en présence de caches distribuées et (I) nous analysons la migration optimale du réseau à CCN; (II) nous comparons les bornes de performance d’un réseau CDN avec ceux d’un CCN, et (III) nous considérons un réseau CDN virtualisé et étudions le problème stochastique de planification d’une telle infrastructure.3) Nous considérons les implications de sécurité sur le contrôle d’accès et la traçabilité, et nous formulons ConfTrack-CCN, une extension deCCN utilisée pour garantir la confidentialité, traçabilité et l’évolution de la politique d’accès, en présence de caches distribuées. / In recent years, the amount of traffic requests that Internet users generate on a daily basis has increased exponentially, mostly due to the worldwide success of video streaming services, such as Netflix and YouTube. While Content-Delivery Networks (CDNs) are the de-facto standard used nowadays to serve the ever increasing users’ demands, the scientific community has formulated proposals known under the name of Content-Centric Networks (CCN) to change the network protocol stack in order to turn the network into a content distribution infrastructure. In this context this Ph.D. thesis studies efficient techniques to foster content distribution taking into account three complementary problems:1) We consider the scenario of a wireless heterogeneous network, and we formulate a novel mechanism to motivate wireless access point owners to lease their unexploited bandwidth and cache storage, in exchange for an economic incentive.2) We study the centralized network planning problem and (I) we analyze the migration to CCN; (II) we compare the performance bounds for a CDN with those of a CCN, and (III) we take into account a virtualized CDN and study the stochastic planning problem for one such architecture.3) We investigate the security properties on access control and trackability and formulate ConfTrack-CCN: a CCN extension to enforce confidentiality, trackability and access policy evolution in the presence of distributed caches.

Avec la montée de la connectivité entre les appareils (internet des objets), nouvelles possibilités de coordination entre les différentes entités ont ouvert. En même temps, des résultats récents, issus de la théorie de l'information, ont fourni des limites pour la performance optimale que tout système de coordination pourrait atteindre sous certaines structures d'information. Dans cette thèse, nous développons ces résultats théoriques dans le but de les rendre plus facilement applicable aux problèmes pratiques. À cet égard, la contribution de cette thèse est double : 1) En outre développer les résultats théoriques pour fournir un aperçu de la structure des solutions au problème d'optimisation posés dans les travaux antérieurs, ainsi que la généralisation des résultats. 2) Développer des algorithmes qui exploitent le cadre théorique fourni par les travaux antérieurs pour concevoir des mécanismes de coordination pratiques, décentralisées et robustes. La généralité de l'approche se prête à diverses applications, dont les éléments suivants ont été traités: optimisation de puissance dans les réseaux sans fil, planification de la consommation d'énergie dans les applications de réseau intelligent, ainsi que Witsenhausen contre-exemple, un problème important issu de la théorie du contrôle. Diverses possibilités sont encore à venir pour exploiter le cadre et les outils développés ici. En effet, ils pourraient être utiles même dans des domaines qui ne sont pas abordés dans cette thèse, mais qui nécessitent une coordination entre les agents avec des informations différentes à la disposition de chacun. / With the rise in connectivity between appliances (Internet of Things), new avenues for coordination between various entities have opened up. At the same time, recent information theoretical results have provided bounds for the performance that any coordination scheme could achieve under certain information structures. In this thesis, we further develop those information theoretical results with the aim of making them applicable more easily to practical problems. In this regard, the contribution of this thesis is twofold: 1) Further developing the aforementioned information theoretical results to provide insights into the structure of the solutions to optimization problem posed in them, as well as generalizing some results. 2) Developing algorithms which exploit the theoretical framework provided by Information theory to devise practical, decentralized and robust coordination schemes. The generality of the approach lends itself to various applications, of which the following were treated: power optimization in wireless networks, power consumption scheduling in smart grid applications, as well as Witsenhausen counterexample, an important toy problem in control theory. Various opportunities still lie ahead to exploit the framework and tools developed herein. Indeed, they could be useful even in domains which have not been explored in this thesis but which require coordination between agents with different information available to each.

L'augmentation massive du trafic cellulaire pose de sérieux défis à tous les acteurs concernés par la diffusion de contenu sans fil. Alors que la densification du réseau permet d’accéder à des utilisateurs supplémentaires, les liaisons de transport à grande vitesse et à grande capacité sont coûteuses. La mise en cache du contenu populaire en bordure du réseau permettra de décharger le trafic utilisateur de ces connexions, susceptibles d'être encombrées, ainsi que des centres de données du réseau fédérateur. Cette thèse propose un modèle économique dans lequel un opérateur de réseau mobile (Mobile Network Operator, MNO) pré-installe et entretient des caches sur son équipement sans fil (stations de base avec cache, CBS). L’espace mémoire ainsi que les capacités de calcul sont ensuite loués aux fournisseurs de contenu (CP) qui souhaitent rapprocher leur contenu de l'utilisateur. Pour une compensation financière, un CP peut alors décharger le trafic de son centre de données et améliorer la qualité de service des utilisateurs. Le CP prend des décisions de placement de contenu en fonction des données prédictives sur le trafic des utilisateurs et la popularité du contenu. Dans la phase de livraison, un utilisateur peut être desservi à partir des caches pour le cas où il serait associé à une station sur laquelle le contenu demandé est mis en cache. Ce travail examine trois aspects du modèle économique proposé : La première question de recherche porte sur l'association des utilisateurs en tant qu'élément central du schéma de mise en cache à la bordure du réseau. Les stratégies d'association des utilisateurs prenant en compte le cache peuvent permettre aux utilisateurs dans des zones de chevauchement de couverture d'être associés à une CBS contenant le contenu demandé plutôt que conventionnellement à celui qui fournit le signal le plus puissant. La thèse propose un algorithme décentralisé original pour une association d'utilisateurs appelée Generalized Bucket-filling qui permet des gains au-delà de la maximisation du taux de réussite. Les mesures de performance telles que le débit du réseau et l'équilibrage de la charge des utilisateurs parmi les CBS sont prises en compte. Les expériences montrent que l'association des utilisateurs au cache augmente le taux de réussite sans surcharger les CBS uniques tout en fournissant un débit élevé du système. Le deuxième problème traité concerne un seul CP qui doit décider de l'espace de cache à louer à chaque CBS pour un prix fixe et du contenu à placer. Ses choix doivent être basés sur des estimations de la popularité des fichiers ainsi que sur la politique d'association des utilisateurs du MNO. Le problème de leasing et de placement du contenu du cache est formulé sous la forme d'un problème non linéaire mixte en nombres entiers (NLMIP). Dans sa solution, le problème est séparé en un sous-problème linéaire discret et un sous-problème continu non linéaire utilisant la décomposition de Benders. Le CP et le MNO coopèrent, aidant le CP à prendre des décisions optimales qui profitent aux deux parties : Le CP maximise ses économies grâce à la mise en cache tandis que le MNO peut trouver le prix de cache optimal et recevoir la compensation financière maximale. Une troisième question de recherche élargit la portée de l'interaction entre plusieurs CPs et un opérateur de réseau mobile. Désormais, le MNO ne fixe pas de prix fixe par unité de mémoire, mais réagit aux demandes des CPs en matière d'espace mémoire en fonction des économies réalisées grâce à la mise en cache. / The massive increase in cellular traffic poses serious challenges to all actors concerned with wireless content delivery. While network densification provides access to additional users, high-speed and high-capacity backhaul connections are expensive. Caching popular content at the network edge promises to offload user traffic from these congestion prone connections as well as from the data centers in the backbone network. This thesis proposes a business model in which a mobile network operator (MNO) pre-installs and maintains caches at its wireless equipment (Cache-equipped Base Stations, CBSs). Memory space together with computational capabilities is then leased to content providers (CPs) that want to bring their content closer to the user. For a financial compensation, a CP can then offload traffic from its data center and improve user Quality of Service. The CP makes content placement decisions based on predictive user traffic and content popularity data. In the delivery phase, users can be served from the caches in case they are associated to stations that have the requested content cached. This work investigates three aspects of the proposed business model: The first research question focuses on user association as a central element to the edge caching scheme. Cache-aware user association policies can allow for users in coverage overlap areas to be associated to a CBS that holds the requested content rather than conventionally to the one that provides the strongest signal. The thesis proposes an original decentralized algorithm for user association called Generalized Bucket-filling that allows gains beyond maximizing the hit ratio. Performance metrics such as network throughput and load balancing of users among CBSs are taken into account. Experiments show that cache-aware user association a) increases the hit ratio b) without overloading single CBSs while c) providing high system throughput. The second problem treated considers a single CP that needs to decide how much cache space to lease at each CBS for a fixed price, and what content to place. Its choices should be based on estimates of file popularity as well as MNO user association policy. The cache leasing and content placement problem is formulated as a non-linear mixed-integer problem (NLMIP). In its solution, the problem is separated into a linear discrete CP subproblem and a nonlinear continuous subproblem using Benders decomposition. The CP and the MNO cooperate, helping the CP to make optimal decisions that benefit both parties: The CP maximizes its savings from caching while the MNO can find the optimal cache price and receive the maximum financial compensation. A third research question widens the focus to the interaction between several CPs and one MNO. Now, the MNO does not set a fixed price per memory unit but instead reacts to CP demands for memory space that depend on the savings they can achieve from caching.

Les réseaux de capteurs sans fil sont déployés pour assurer la surveillance de phénomènes physiques. La précision de l’information recueillie dépend fortement des positions des capteurs déployés. Ces positions doivent satisfaire les exigences de l’application en termes de couverture et de connectivité. Par conséquent, les algorithmes de déploiement sont nécessaires pour déterminer les positions optimales des capteurs. Cette thèse se concentre sur le déploiement de capteurs sans fil, d’une part lorsque ces noeuds sont capables de se positionner de manière autonome, et d’autre part lorsque leur déploiement est assisté par des robots mobiles. Dans les deux cas, ce déploiement doit, non seulement répondre aux exigences de l’application en termes de couverture et connectivité, mais aussi minimiser le nombre de capteurs nécessaires tout en satisfaisant diverses contraintes (e.g. obstacles, énergie, connectivité tolérant les défaillances). Nous avons proposé des algorithmes de déploiement autonome qui évitent les oscillations des noeuds : ADVFA, GDVFA et OA-DVFA pour surveiller des zones 2D et 3D-DVFA pour surveiller un espace 3D. Lorsque le déploiement est assisté par robots mobiles, nous avons proposé deux approches pour optimiser la durée du déploiement. La première se base sur la théorie de jeux pour optimiser la durée des trajectoires de deux robots (TRDS) et la deuxième se base sur l'optimisation multi-objectifs avec un nombre de robots supérieur ou égale à 2 (MRDS). Les objectifs à satisfaire sont : optimiser la durée de la trajectoire la plus longue, équilibrer les durées des trajectoires des robots et minimiser le nombre de robots utilisés, en évitant les obstacles. / Wireless sensor networks are deployed to monitor physical phenomena. The accuracy of information collected depends on sensor node positions. These positions must meet the application requirements in terms of coverage and connectivity. Therefore, deployment algorithms are necessary to determine the optimal positions of sensor nodes. This thesis focuses on the deployment of wireless sensor nodes, first when these nodes are autonomous, and secondly when they are static and the deployment is assisted by mobile robots. In both cases, this deployment must not only meet the application requirements in terms of coverage and connectivity, but also minimize the number of sensors needed while satisfying various constraints (e.g. obstacles, energy, fault-tolerant connectivity). We proposed autonomous deployment algorithms that avoid node oscillations: ADVFA, GDVFA and OA-DVFA to monitor 2D areas and 3D-DVFA to monitor a 3D space. In case of a deployment assisted by mobile robots, we proposed two approaches to optimize the deployment duration. The first one is based on game theory to optimize the length of the paths of two robots (TRDS) and the second is based on the multi-objective optimization, with a number of robots greater than or equal to 2 (MRDS). The objectives to be met are: optimizing the duration of the longest tour duration, balancing the durations of the robot tours and minimizing the number of robots used, while bypassing obstacles.

À l'aire du Multimedia Mobile, l'essor des réseaux sans fil est fulgurant et la mobilité est devenue un sujet primordial exacerbé par l'augmentation significative du nombre d'usagers mobiles. Un nœud évoluant dans un réseau mobile de base se comporte de la même manière qu'un aveugle évoluant dans notre univers en en élaborant sa propre représentation à l'aide de son bâton, mécanisme dénommé dans la littérature : mobilité terminale. Pour réduire cet aveuglement, plusieurs méthodes ont été élaborées qui prennent appui sur les services de localisation ou les modèles de mobilité. Un modèle de mobilité est donc destiné à décrire en termes d'environnement, le mode de circulation des nœuds mobiles avec pour défi de trouver des modèles fidèles aux comportements des utilisateurs. Les modèles aléatoires sont biaisés car les appareils mobiles sont portés par des êtres sociaux. Cela nous a amené à inclure des éléments sociaux dans notre modélisation.Nous présentons les modèles de mobilité existants et les classifions. Nous définissons nos modèles, les implémentons et mesurons leur impact sur le test des réseaux. Enfin nous élargissons notre spectre en montrant comment le fait d'octroyer la perception de regroupement social à un protocole de routage réseau, peut en améliorer les performances. / In our area of Mobile Multimedia, the expansion of wireless networks is dazzling and mobility has become a major issue exacerbated by the significant increase in the number of mobile users.A node operating in a basic mobile network behaves the same way a blind person moving in our universe by developing its own representation with his stick, a mechanism known in the literature as terminal mobility. To reduce this blindness, several methods have been developed that are based on location services and mobility models.A mobility model is then intended to describe in terms of environment, the motion criteria of mobile nodes with the challenge to find models faithful to user behavior.Random models are biased because mobile devices are supported by social beings. This led us to include social elements in our models.We present the existing mobility models and classify them.We define our models, implement them and measure their impact on the network testing.Finally we expand our spectrum by showing that granting social grouping perception to a network routing protocol, can improve its performance.