Dans ce travail de thèse, on s'intéresse é l'emploi de techniques de traitement de signal de systèmes de communication MIMO (Multiple Input Multiple Output) pour des applications aux réseaux de capteurs sans fil. Les contraintes énergétiques de cette classe de réseau font appel à des topologies particulières et le réseau peut être perçu comme étant un ensemble de grappes de nœuds capteurs. Ceci ouvre la porte à des techniques avancées de communication de type MIMO. Dans un premier temps, les différents aspects caractérisant les réseaux de capteurs sans fil sont introduits. Puis, les efforts engagés pour optimiser la conservation de l'énergie dans ces réseaux sont résumés. Les concepts de base de systèmes MIMOs sont abordés dans le deuxième chapitre et l'exploration par voie numérique de différentes pistes de la technologie MIMO sont exposées. Nous nous intéressons à des techniques de diversité de polarisation dans le cadre de milieux de communication riches en diffuseurs. Par la suite, des méthodes de type beamforming sont proposées pour la localisation dans les réseaux de capteurs sans fil. Le nouvel algorithme de localisation est présenté et les performances sont évaluées. Nous identifions la configuration pour la communication inter-grappes qui permet pour les meilleurs compromis entre énergie et efficacité spectrale dans les réseaux de capteurs sans fil. Finalement, nous envisageons la technique de sélection de nœuds capteurs afin de réduire la consommation de l'énergie dans le réseau de capteur sans fil.

Les applications multimédias pour terminaux mobiles connaissent un succès grandissant. Cela oblige à développer de nouvelles méthodes plus efficaces de gestion des ressources des réseaux sans-fil du fait de leurs caractéristiques particulières : bande-passante limitée, état radio variable, interférences plus importantes, etc. Par ailleurs, les méthodes classiques de la gestion de ressources basées sur des paramètres techniques (perte/retard de paquets, gigue, etc.) ne parviennent pas à donner des évaluations précises de la qualité telle que perçue (encore appelée Qualité d'Expérience ou QdE) par l'utilisateur de ces applications. Cette thèse s'appuie sur une technique hybride nommée PSQA (Pseudo-Subjective Quality Assessment) d'évaluation pseudo-subjective en temps réel de la QdE pour proposer de nouvelles méthodes de gestion de ressources dans les réseaux multimédias sans-fil. Que ce soit du côté de l'opérateur réseau ou du côté de l'utilisateur, nous avons proposé des méthodes de contrôle d'accès et d'ordonnancement ainsi que des méthodes de sélection de réseaux d'accès dans le contexte des réseaux sans-fil hétérogènes utilisant différentes technologies (IEEE 802.11, UMTS, etc.). Les résultats obtenus encouragent l'utilisation du concept de QdE et ouvre la voie à un nouveau paradigme dans la gestion des ressources dans les réseaux multimédias sans-fil.

Les réseaux de capteurs sans fil sont composés de petits équipements embarqués et autonomes qui coopèrent pour surveiller leur environnement de manière non-intrusive. Les données collectées par chaque capteur (tels que la température, des mouvements, des sons, etc.) sont remontées de proche en proche vers un puits de collecte en utilisant des technologies de communication sans fil. De plus en plus d'applications requièrent le placement des capteurs sur des éléments mobiles. Hors, à l'instar des équipements des réseaux IP, les nœuds capteurs pourront traverser plusieurs réseaux durant leurs déplacements. Cette thèse s'intéresse à cette problématique et propose deux solutions pour gérer ces nœuds mobiles. Notre première contribution, le protocole Mobinet, utilise la sur-écoute liée au médium radio pour détecter le voisinage d'un nœud mobile et ainsi lui permettre de gérer sa mobilité. D'autre part, l'intégration de nombreux nœuds mobiles dans les réseaux visités va augmenter le nombre de paquets transitant au sein de ces réseaux. Notre seconde proposition, le protocole CLOMAC, a pour objectif de réduire les congestions pouvant survenir en créant dynamiquement des chemins alternatifs vers le puits.

Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire s'inscrivent dans la dynamique de progrès liés au développement de la microélectronique, des télécommunications à courtes portées et de la fusion de données multicapteurs. Ils portent sur l'étude de microsystèmes autonomes communicants interconnectés pour des fonctions de surveillance. Ces nouveaux dispositifs ont pour objectif d'offrir des capacités de traitement-communication inexistant initialement dans des objets physiques de types senseurs/actionneurs. Leur développement sera considérable dès lors qu'ils pourront constituer un réseau local communicant et s'insérer de manière simple dans un système plus global. De nouvelles fonctionnalités de supervision sont alors envisageables. Ces travaux contribuent par une approche globale et méthodologique à cet objectif en étudiant les principaux constituants de tels microsystèmes depuis la conception jusqu'à la réalisation : capteurs de présence, dispositifs de communication intégrés sans fil et algorithmes de diagnostic. La démarche scientifique s'appuie sur quelques exemples d'application dans le domaine de la domotique qui ont permis d'une part, d'élaborer et de valider expérimentalement les concepts technologiques proposés, et d'autre part, d'élaborer des solutions techniques pour des architectures de communication adaptées. Deux systèmes d'intelligence ambiante reposant sur le concept original d'apprentissage automatisé des habitudes de présence servent de support aux différents développements : PROSAFE pour la surveillance de personnes âgées et ERGDOM pour la gestion du confort thermique ressenti. Ces démonstrateurs réalisés et évalués sur sites réels contribuent à l'avancée des travaux effectués pour l'habitat intelligent

Ces dernières années ont connu l'avènement des réseaux sans fil, dopés par leur facilité de déploiement et par leur usage dans de multiples domaines : réseaux domestiques Wi-Fi, téléphonie mobile, réseaux ad-hoc, réseaux de capteurs, ... L'objet de cette thèse porte sur l'étude de problèmes algorithmiques directement inspirés des contraintes de fonctionnement rencontrées dans de tels réseaux, et se découpe en trois parties.<br />La première partie de nos travaux s'intéresse à l'étude du problème de la diffusion d'un message émis depuis un noeud source unique vers l'ensemble des noeuds participant au réseau. Ce problème est abordé dans plusieurs modèles de communication, qui supposent tous des émissions omnidirectionnelles à portée fixée et l'existence de phénomènes d'interférences. Il en résulte l'incapacité pour un noeud donné de garantir la réception correcte de deux transmissions voisines simultanées. Nous étudions la complexité de ce problème et proposons des stratégies de résolution exactes ou avec garantie de performance. <br />Dans une seconde partie, l'un des modèles de communication précédemment introduits sert de support à l'étude d'un autre problème algorithmique, dont l'objet est la satisfaction de requêtes de communications. Les travaux menés sur ce problème visent à établir sa complexité ainsi que les facteurs dont elle dépend. <br />La dernière partie nous amène au problème de conception de réseaux sans fil. L'objectif est d'assurer une distribution de flux depuis des noeuds sources vers des noeuds clients, en minimisant le coût de l'infrastructure déployée. Les communications établies ici à l'aide d'antennes directionnelles ne sont pas sujettes aux phénomènes d'interférences. La difficulté du problème réside dans la satisfaction de contraintes de déploiement (nombre d'antennes limitées par noeud, résistance aux pannes, ...). Nous étudions la complexité de ce problème, et proposons plusieurs méthodes de résolution exactes et approchées pour des instances de taille raisonnable.

Le projet SACER vise à répondre aux demandes d'Airbus qui ont besoin de disposer de données décrivant le comportement d'un avion ou d'un satellite avant commercialisation ou lancement. Pour mieux répondre à cette demande, un réseau de capteurs sans fil remplacerait les équipements de test filaires existants. Le but est d'apporter des avantages tels qu'une réduction de poids, de coût et de connectique. Pour notre part, nous n'avons travaillé que sur l'application aéronautique. Pour alimenter les capteurs autonomes sans fil embarqués, dans le cadre de cette thèse, il faut concevoir une architecture de récupération d'énergie, un système de stockage de l'énergie ainsi que un circuit de gestion de ces énergies. La principale contrainte pour le système est qu'il doit pouvoir fonctionner de -50C à 100°C, tout en délivrant une puissance de sortie de 3 watts. De plus, l'épaisseur du système doit être inférieure à 3,2 mm. Pour notre travail, nous avons cherché, dans un premier temps, la meilleure solution possible sur le choix du type de cellules solaires. Le résultat sur les tests des cellules à différentes températures et irradiations dans les conditions de notre application est présenté. Dans un second temps, nous avons testé plusieurs types de systèmes de stockage d'énergie aux températures extrêmes. Enfin, la conception de l'architecture pour la gestion de l'énergie (vue d'ensemble des panneaux photovoltaïques, d'un circuit MPPT, des super condensateurs, et d'un régulateur) est présentée.

Cette thèse se situe dans le domaine des Systèmes Commandés en Réseaux, systèmes pluridisciplinaires qui connaissent un grand développement dans le contexte technologique actuel et qui introduisent de nouveaux problèmes de recherche, en particulier, pour les communautés Automatique et Réseau de Communication. L'objectif est de montrer l'intérêt de considérer un lien bidirectionnel entre la Qualité de Contrôle (QdC) (stabilité et performance des applications de contrôle-commande) et la Qualité de Service (QdS) (retards dans les transmissions) en se focalisant sur les réseaux locaux et plus particulièrement sur l'ordonnancement des trames dans la sous couche MAC où on considère des protocoles MAC de type CSMA. Notre travail se situe tout d'abord dans le cadre du réseau CAN où nous faisons trois propositions. La première proposition consiste en des solutions de QdS pour des applications de contrôle-commande sur la base du concept de priorité hybride, pour l'ordonnancement de trames, dans laquelle nous définissons une partie priorité dynamique qui dépend d'un paramètre de QdC. Ceci permet de réaliser une relation QdC->QdS. La deuxième proposition consiste en des solutions de QdC par une méthode de compensation de retard (maintenance des pôles dominants) ce qui permet de réaliser une relation QdS->QdC. La troisième proposition consiste à réaliser une relation QdC<=>QdS qui assure lors de l'implantation de plusieurs applications, une propriété d'équité comportementale. Nous abordons ensuite le cadre particulier des réseaux locaux sans fil où, d'une part, nous définissons des protocoles MAC de type CSMA sans collision sur la base de priorités et, d'autre part, nous montrons la faisabilité des idées développées dans le cadre du réseau CAN.

La prolifération des réseaux ad hoc mobiles, pair-à-pair et de capteurs ont encouragé le développement des concepts d'une informatique autonome avec potentiellement un large éventail d'applications. Or, la vulnérabilité inhérente de ces réseaux autonomes introduit de nouveaux challenges de sécurité, telles que des attaques internes menées par des entités malveillantes. Plusieurs de ces attaques sont difficiles à détecter et à contrarier en raison de leur comportement asymptotique au comportement de processus légitimes des systèmes en interaction. Par ailleurs, la limitation des ressources de certains réseaux autonomes (réseaux de capteurs sans fil, réseaux mobiles ad hoc) constitue un autre grand challenge pour leur robustesse qui englobe à la fois la tolérance aux défaillances et la sécurité. Dans ce contexte, nos travaux se sont articulés autour de deux axes de recherche qui se situent à deux limites de la connaissance contemporaine sur la sécurité des systèmes : la sécurité collaborative des systèmes complexes en interaction et la sécurité des systèmes à fortes contraintes de ressources. Nous nous sommes fixés comme objectif le développement de solutions algorithmiques aptes à satisfaire les besoins des utilisateurs en termes de performance et de robustesse tout en leur permettant de faire abstraction de la complexité sous-jacente. Nous avons démontré à travers nos travaux que l'interaction robuste et sécurisée entre ces systèmes atypiques est possible. Elle est possible grâce à une nouvelle appréhension de la sécurité basée sur la collaboration de processus de confiance, et la prévention à base de mécanismes proactifs de tolérance aux disfonctionnements. Nous avons mené une recherche à la fois scientifique, technologique et intégrative dans le cadre de projets pluridisciplinaires, qui s'inscrivent dans des domaines aussi variés que la santé, l'agriculture, la gestion du trafic urbain, les systèmes embarqués, les réseaux et la sécurité des échanges. L'évolution de nos axes de recherche est principalement motivée par la prise en compte de nouvelles évolutions technologiques et de leur usage, pour lesquelles nous proposerons des solutions algorithmiques de sécurité tout en optimisant les coûts inhérents. En l'occurrence, une évolution majeure qui s'inscrit dans la continuité des développements récents des technologies de l'information et de la communication et des systèmes embarqués, est " l'internet des objets (IdO)". Cette évolution technologique sera accompagnée d'une évolution des usages et de l'écosystème technologique environnant dans toute sa complexité. Nous allons montrer que cette nouvelle " technologie de rupture " à enjeux socioéconomiques importants suscite ses propres challenges de sécurité et de " privacy ". Nous présenterons une évolution de la thématique de sécurité de l'IdO en trois phases : la sécurité efficace pour une informatique embarquée miniaturisée, la sécurité et " privacy " centrée sur l'utilisateur selon le contexte, et une approche cognitive et systémique de la sécurité de l'IdO. En effet, nous montrerons que l'évolution des objets vers plus d'autonomie à percevoir et à agir sur l'environnement, accentuera les enjeux de la sécurité et de la " privacy ". En conséquence, la sécurité de l'Internet des objets devrait aussi évoluer vers plus d'autonomie perceptive et actionnelle en se basant sur une approche cognitive et systémique centrée sur les objets intelligents.

Le paradigme de l'Internet des Objets (IoT) envisage d'enrichir l'Internet actuel avec un grand nombre de dispositifs intelligents communicants. Les réseaux de capteurs sans fil (RCF) exploitent des appareils avec des ressources énergétiques limitées équipés de capteurs afin de récupérer en temps réel des mesures (comme la température, la radioactivité, ou le CO2). Les réseaux de capteurs sont particulièrement pertinents pour la surveillance, la télémétrie ou la prévention des catastrophes naturelles. Cependant, ce type de réseau pose des problèmes majeurs tels que l'utilisation efficace de ressources énergétiques limitées, la prise en charge transparente de nœuds défaillants, sans intervention humaine. L'Internet des Objets ne permettra d'intégrer des réseaux de capteurs autonomes que si les protocoles sont standards et passent à l'échelle. Les contributions de cette thèse sont les suivantes : * nous avons caractérisé expérimentalement un réseau radio multisaut en exploitant statistiquement un grand volume de mesures provenant d'une plate-forme expérimentale opérée par Orange. Notre analyse porte sur la caractérisation d'un lien et de sa qualité ainsi que de la dynamique du réseau. * nous avons proposé de modifier le standard IEEE 802.15.4 afin qu'il puisse cohabiter efficacement avec le protocole de routage actuellement standard de l'Internet des Objets, RPL. En particulier, nous proposons d'exploiter une structure de graphe dirigé acyclique afin d'exploiter une topologie maillée et pallier à la déficience éventuelle d'un nœud. Nous avons proposé également des algorithmes simples d'ordonnancement distribué des supertrames adaptés à cette topologie. * le choix des pères au niveau MAC dans une structure de graphe dirigé acyclique est déterminant dans la qualité des routes possibles dans la couche réseau. Nous avons ainsi proposé un algorithme de choix des pères basé sur plusieurs métriques. Nous aboutissons à une structure permettant d'équilibrer la charge, limitant les points de congestion, utilisant des liens radio de bonne qualité, limitant la congestion au niveau MAC. * nous avons enfin présenté des mécanismes permettant d'offrir une qualité de service dans une pile s'appuyant sur IEEE 802.15.4 et RPL. Notre extension de routage opportuniste et multi-chemin contribue à améliorer la livraison des paquets avant une date limite, tout en minimisant le surcout et la consommation d'énergie par rapport à la version originale de RPL.

Depuis 2001, le codage réseau a devenu une technique de communication qui permet des meilleures performances réseaux. Au lieu de relayer les paquets séparément, le codage réseau permet aux noeuds réseaux de combiner plusieurs paquets natifs en un seul paquet codé. Le réseau peut réduire le nombre de transmissions, réduire le temps de transfert et augmenter le débit de transmission. Le codage réseau ne suit pas l'hypothèse dans laquelle l'information reste séparée et invariable dans chaque paquet de la source à la destination. Dans le codage réseau, les informations transportées dans les paquets ne doivent pas être endommagées mais elles peuvent être mixées et transformées. Dans le contexte de cette thèse, nous contribuons dans deux directions: l'augmentation de la capacité du réseau et la fiabilité de la transmission contre les erreurs aléatoires. Pour augmenter la capacité du réseau, nous avons défini des nouvelles conditions de codage dans le codage réseau inter-flux. Pour fournir la fiabilité de la transmission, nous avons proposé de nouveaux protocoles de codage réseau. Les résultats de simulations via NS-2 ont montré les améliorations importantes des performances.