L’émergence de l’Internet des Objets révolutionne les réseaux locaux sans fil et inspirent de nombreuses applications. L’une des problématiques majeures pour les réseaux locaux sans fil est l’accès et le partage du médium radio sans fil. Plusieurs protocoles MAC mono-canal ont été proposés et abordent cette problématique avec des solutions intéressantes. Néanmoins, certains problèmes majeurs liés à l’accès au canal (nœud caché, synchronisation, propagation des RDV…) pour un contexte de transmission multi-saut, persistent encore et font toujours l’objet d’intenses études de la communauté scientifique, surtout lorsqu’il s’agit de réseaux de capteurs sans fil distribués sur des topologies étendues. Certains travaux de recherches ont proposé des protocoles MAC multi-canal, traitant souvent le cas idéal, où tous les nœuds dans le réseau sont à portée les uns des autres. Les émissions et réceptions des trames de données sont généralement précédées de trames des contrôles pour l’établissement de Rendez-vous (RDV) entre les nœuds concernés. Nous constatons que les RDV ne garantissent pas la réservation des canaux de façon déterministe sans conflit entre les nœuds dans le réseau, et peuvent rendre difficile les transmissions en multi-saut. Une solution complexe serait de propager ces RDV vers les voisins du nœud récepteur au-delà de 2 sauts. C’est face à cette complexité de gestion de RDV multi-sauts que s’inscrit notre contribution. Il s’agit pour nous de proposer une méthode d’accès multi-canal aléatoire sans RDV, en topologie multi-saut. Notre solution est implémentée sur un testbedréel constitué de nœuds WiNo mono-interface, elle est basée sur la méthode ALOHA slottée améliorée pour notre contexte multi-canal, dont nous évaluons les performances qui sont comparées au cas mono-canal. Un modèle analytique lié au contexte multi-canal sans RDV a été développé également, et comparé aux résultats de notre testbed. / The emergence of the Internet of Thingsrevolutionizeswireless local area networks and inspiringnumerous applications. One of the main issues for wirelessLANsis the access and sharing of the wireless radio medium. Several single-channel MAC protocols have been proposed and addressthis issue withinteresting solutions. However, some major problemsrelated to the channelaccess (hiddennode, synchronization, propagation of RDV) for a multi-hop transmission context, persist and are still the subject of intensive studies by the scientificcommunity, especiallywhenitcomes to a distributedwirelesssensors networks over extended topologies. Someresearch has proposed multi-channel MAC protocols, oftenaddressingthe ideal case, where all nodes in the network are within range of eachother. The transmissions and receptions of the data frames aregenerallypreceded by controls frames for the establishment of Rendez-Vous (RDV) among the nodesconcerned. Wefindthat the RDVs do not guarantee the channelsreservation in a deterministicwaywithoutconflictamong the nodes in the network, and maymakeitdifficult the multi-hop transmissions. A complex solution wouldbe to propagatetheseRDVs to the neighbors of the receivernodebeyond 2 hops. Facedwiththiscomplexity of multi-hop RDV management thatmakesour contribution. It is important for us to propose arandom multi-channelaccessmethodwithout RDV, in multi-hop topology. Our solution isimplemented on a real testbed made of multi-channel single-interface “WiNo” nodes, of whichweevaluate the performance that are compared to the single-channel case. An analytical model related to the multi-channelcontextwithout RDV wasalsodeveloped, and compared to the results of ourtestbed.

Au cours des dernières années, différents travaux de recherche ont été consacrés à l’étude et au développement des solutions de type réseau de capteurs sans fil. Ces travaux sont une réponse à l’augmentation du nombre d’objets connectés dans le monde avec le développement de l’internet des objets. La consommation d’énergie dans les réseaux de capteurs représente un des domaines les plus étudiés. Les communications dans les réseaux de capteurs représentent une part importante de leur consommation. Afin de réduire la consommation des communications dans les réseaux de capteurs, différents niveaux d’optimisation sont possibles. Dans ce contexte, différents travaux de recherches visant à réduire la consommation des émetteurs-récepteurs, grâce à des architectures innovantes, ont été menés à l’IM2NP. Beaucoup de ces travaux ont été consacrés aux radios impulsionnelles Ultra-Large Bande (ULB). En outre, les protocoles d’accès aux canaux de communications dans les réseaux de capteurs sont également importants quant à l’optimisation de leurs consommations. Les travaux de recherches proposés dans ce manuscrit, basés sur les travaux sur les radios impulsionnelles ULB réalisés au sein de l’IM2NP, proposent une optimisation de la consommation des réseaux de capteurs sur deux niveaux. Tout d’abord, un protocole asynchrone à base de radio de réveil d’accès au canal de communication adapté aux communications ULB est proposé ainsi que son étude énergétique. Suite à l'étude du protocole asynchrone proposé, la conception d’un récepteur de réveil semi-passif et d’un générateur d’impulsion ULB sous-GHz est abordée, et leurs performances en termes d’efficacité énergétique discutées. / In recent years, research has been devoted to the study and development of Wireless Sensor Network (WSN). These research are a response to the increase of the connected objet number in the world with development of smartphones and Internet of things (IoT). Energy consumption in sensor networks is one of the most studied areas. In fact, the optimization of the consumption of the elements making up the sensor networks allows a reduction in the costs associated with their installation, operation and maintenance. Communications in sensor networks represent an important part of their power consumption. In order to reduce the consumption of communications in sensor networks, different levels of optimization are possible. In this context, various IM2NP research projects aimed at reducing transceiver consumption through innovative design were carried out. Much of this work has been devoted to Impulsionnal Radio Ultra-Wide Band (IR-UWB). Moreover, MAC protocols used to manage the communication channel access in wireless sensor networks are also important in optimizing their consumption. The research work proposed in this manuscript, based on the work on impulse radios UWB carried out within the IM2NP, propose an optimization of the consumption of sensor networks on two levels. Firstly, an asynchronous MAC protocol based on radio wake-up radio suitable for UWB communications is proposed as well as its energy study. Following the study of the proposed asynchronous protocol, the design of a low power semi-passive wake-up receiver (WuRx) and a UWB sub-GHz impulse generator is presented and their performance in terms of energy efficiency discussed.

La plupart des réseaux de capteurs sans fill d’aujourd’hui fonctionne sur le protocole CSMA/CA. Fournir la qualité de service (QdS) dans un tel réseau est un problème difficile compte tenu de la dynamique du réseau et des contraintes en termes de ressources (énergie et mémoire). Dans cette thèse, sans changer le socle commun du CSMA/CA, nous avons proposé des mécanismes auto-adaptatifs qui permettent de gérer la QdS "best-effort" pour des applications nécessitant de la différenciation de services. Trois mécanismes sont proposés : CoSenS pour "Collecting then Sending burst Scheme", P-CoSenS qui a joute la gestion de priorités à CoSenS, et S-CoSenS qui a joute la dimension énergie à CoSenS. La dynamique du réseau est prise en compte grâce à l’auto-adaptation de périodes de collecte et de transmission en rafale. Il est à souligner que le mécanisme CoSenS permet non seulement d’améliorer les performances de CSMA/CA mais aussi de surmonter la difficulté d’ordonnancer les trafics entrant dans un nœud (routeur) car chaque paquet entrant est immédiatement retransmis vers la sortie. En effet, grâce à la pério de de collecte, les paquets entrants sont mis en file d’attente, rendant ainsi possible d’ordonnancer différemment les paquets selon leur priorité (P-CoSenS). Enfin, le compromis énergie/performance est pris en compte dans S-CoSenS. Selon l’état de l’environnement surveillé, le réseau peut se trouver dans une période où circule un trafic non urgent et souvent faible pendant laquelle il est judicieux de minimiser la consommation d’énergie et une pério de de trafic important pendant laquelle le réseau doit transporter des données urgentes pour suivre une situation alarmante de plus près. Comme CoSenS, S-CoSenS permet de s’auto-adapter dynamiquement en fonction de ces situations. L’ensemble de nos propositions est validé par simulations et CoSenS est implémenté sur une plateforme de réseau de capteurs. / Nowadays, most of wireless sensor networks use CSMA/CA protocol. Providing quality of service (QoS) support in such networks is a difficult problem because of the network dynamics and the high constraints in terms of resources like energy and memory. In this thesis and without changing the basic access protocol, CSMA/CA, we developed auto-adaptive mechanisms for best-effort QoS targeted to applications requiring differentiation services. Three mechanisms are proposed; CoSenS for "Collecting then Sending burst Scheme" which enhances the performances of CSMA/CA, P-CoSenS for "Priority CoSenS" which adds priority management to CoSenS and S-CoSenS for "S-CoSenS" which tackles energy efficiency using CoSenS. We emphasize that CoSenS mechanism not only enhances the performance of CSMA/CA in terms of throughput, end-to-end delay and successful transmission rates but enables also the implementation of scheduling policies; since the router collects and queues paquets before retransmitting them, it has a complete knowledge about them and can then schedule them efficiently (P-CoSenS). S-CoSenS tackles the energy/throughput tradeoff. In fact, the state of a network varies according to the monitored environment. The network may be at some times lightly loaded with non urgent traffic and at other times highly loaded with urgent traffic generated by nodes in order to monitor a happening phenomenon more closely and hence take the best decision. In the former case, the network must save energy. In the latter case, it must provide bandwidth. S-CoSenS auto-adapts its sleeping and active periods according the incoming traffic. Our propositions are validated by simulations and CoSenS is implemented on a wireless sensor platform

Les réseaux de capteurs sans fil d'images sont utilisés aujourd'hui dans de nombreuses applications qui diffèrent par leurs objectifs et leurs contraintes individuelles. Toutefois, le dénominateur commun de toutes les applications de réseaux de capteurs reste la vulnérabilité des noeuds-capteurs en raison de leurs ressources matérielles limitées dont la plus contraignante est l'énergie. En effet, les technologies sans fil disponibles dans ce type de réseaux sont généralement à faible portée, et les ressources matérielles (CPU, batterie) sont également de faible puissance. Il faut donc répondre à un double objectif : l'efficacité d'une solution tout en offrant une bonne qualité d'image à la réception. La contribution de cette thèse porte principalement sur l'étude des méthodes de traitement et de compression d'images au noeud-caméra, nous avons proposé une nouvelle méthode de compression d'images qui permet d'améliorer l'efficacité énergétique des réseaux de capteurs sans fil. Des expérimentations sur une plate-forme réelle de réseau de capteurs d'images ont été réalisées afin de démontrer la validité de nos propositions, en mesurant des aspects telles que la quantité de mémoire requise pour l'implantation logicielle de nos algorithmes, leur consommation d'énergie et leur temps d'exécution. Nous présentons aussi, les résultats de synthèse de la chaine de compression proposée sur des systèmes à puce FPGA et ASIC / The increasing development of Wireless Camera Sensor Networks today allows a wide variety of applications with different objectives and constraints. However, the common problem of all the applications of sensor networks remains the vulnerability of sensors nodes because of their limitation in material resources, the most restricting being energy. Indeed, the available wireless technologies in this type of networks are usually a low-power, short-range wireless technology and low power hardware resources (CPU, battery). So we should meet a twofold objective: an efficient solution while delivering outstanding image quality on reception. This thesis concentrates mainly on the study and evaluation of compression methods dedicated to transmission over wireless camera sensor networks. We have suggested a new image compression method which decreases the energy consumption of sensors and thus maintains a long network lifetime. We evaluate its hardware implementation using experiments on real camera sensor platforms in order to show the validity of our propositions, by measuring aspects such as the quantity of memory required for the implantation program of our algorithms, the energy consumption and the execution time. We then focus on the study of the hardware features of our proposed method of synthesis of the compression circuit when implemented on a FPGA and ASIC chip prototype

Les réseaux de capteurs sans fil (RCSFs), sont composés d'un ensemble de nœuds avec des capteurs, transmetteur/récepteur, d'un système de traitement et d'une réserve d'énergie. Au regard d'applications, de travaux de recherche sont développés sur l'utilisation de ce réseau leur performance, fiabilité ou durée de vie. La durée de vie RCSFs correspond à la période à travers laquelle le RCSF fonctionne parfaitement. Cette durée de vie est très affectée par de nombreux facteurs comme la quantité d'énergie disponible, la probabilité de défaillance et les dégradations des composants. L'énergie disponible devient le facteur prépondérant dans les cas d'applications avec des composants difficilement rechargeables ou non renouvelables. Différents algorithmes, stratégies et techniques d'optimisation ont été élaborées et mises en œuvre à cet effet sur la possibilité d'activer un sous-ensemble de capteurs qui satisfont à la contrainte de surveillance et de garder les autres capteurs en mode veille pour pouvoir être mis en œuvre ultérieurement. Ainsi, c'est un problème de type NP complet de maximisation qui peut être résolu en considérant des Ensembles Disjoints de capteurs de Couverture (EDC). Mais la solution obtenue à l'aide des EDCs ne conduit pas toujours à une extension significative de la durée de vie des RCSFs. Le présent travail vise à rechercher une meilleure solution basée sur des capteurs regroupés dans des ensembles nondisjoints de couverture (ECND). Cette approche permet à un capteur de participer à une ou plusieurs ensembles de capteurs de couvertures. Nous avons alors étudié un modèle de représentation binaire des ECNDs pour déterminer un ordonnancement optimum permettant de maximiser la vie d'un RCSF. De plus, nous avons développé une heuristique basée sur un algorithme génétique, pour trouver une solution proche de l'optimal dans un délai raisonnable. Ainsi, pour un ensemble de m capteurs utilisés pour surveiller un ensemble de n cibles, cette heuristique permet construire un nombre maximum q d'ensembles ECNDs. Des efforts supplémentaires sont donc nécessaires pour trouver le meilleur ordonnancement pour la mise en œuvre des ECNDs, qui maximise la durée de vie globale du RCSF, compte tenu de l'énergie initialement disponible dans chaque capteur. Ce problème est formulé à l'aide d'un modèle mathématique de programmation linéaire en nombres entiers (PLE). La fonction objective de ce problème est la somme de toutes les périodes de surveillance pour les q ECNDs programmés, et la contrainte est la consommation d'énergie de tous les capteurs constituant les ECNDs. La possibilité de trouver la solution à ce problème par PLE dans une période de temps donnée dépend de la complexité du modèle et des instances utilisées. Pour trouver la solution dans un délai raisonnable, nous avons développé un algorithme génétique (AG) basé sur les ECNDs. Les solutions potentielles sont représentées dans des chromosomes composés d'un certain nombre de gènes correspondant aux ECNDs, et chaque gène est caractérisé par la période de surveillance d'un ECND. Nous avons ensuite développé un AG qui combine quatre opérateurs de croisement et quatre opérateurs de mutation. La méthode basée cet AG a été codée dans le langage de programmation C pour obtenir une solution satisfaisante et le logiciel Cplex a été utilisé de déterminer la solution exacte correspondant. Une comparaison des solutions obtenues sur de petites instances en utilisant la PLE par rapport aux solutions obtenues par notre AG montre que la méthode basée sur les AG peut trouver une solution proche de l'optimale dans un délai raisonnable. Ensuite, en comparant les solutions en utilisant l'AG ECNDs à l'AG EDCs de la littérature, nous montrons que l'AG avec ECND peut prolonger la durée de vie des RCSFs plus que les AG avec EDCs pour les mêmes instances. Notre approche combine ainsi les principes d'ordonnancement et les techniques d'optimisation pour maximiser la durée de vie des RCSFs / Wireless sensor networks (WSNs), as a collection of sensing nodes with limited processing, limited energy reserve and radio communication capabilities, are widely implemented in many areas of applications such as industry, environment, healthcare, etc. Regarding this large range of applications, many research issues are introduced including the applications, performance, reliability, lifetime, etc. The WSNs lifetime considered in this work is the period of time through which theWSN is perfectly completing its function. This lifetime is affected by many factors including the amount of energy available, failure probability and components degradation. The amount of energy available become the most important factor in case of non renewable components applications. Different algorithms, strategies and optimization techniques were developed and implemented for this purpose based on the possibility of activating a subset of sensors that satisfied the monitoring constraint, while keeping the others in sleep mode to be implemented later. This is an NP complete maximization problem that can be solved using disjoint set covers (DSCs). But the solution obtained using DSCs does not extend always significantly the WSNs lifetime. So, the present work aims to search for a better solution using non-disjoint set covers (NDSCs). This approach gives the opportunity for a sensor to be implemented in one or more subset covers. For that purpose, we studied a binary representation based model to maximize the number of NDSCs. Also, we developed a genetic algorithm based heuristic based on this model to find out the maximum number of NDSCs in a reasonable time. Thus, for a set of m sensors used to monitor a set of n targets or a field, this heuristic allows to construct a maximum number q of NDSCs. Additional effort is required to find the best scheduling for implementing the NDSCs so as to maximize the lifetime of the sensors involved in the WSNs, considering their limited available energy. This problem is formulated using integer linear programming (ILP) mathematical model. The objective function of this problem is the sum of all monitoring seasons on which all q NDSCs scheduled, and the constraint is the energy consumption in all sensors included in all NDSCs. Solving this problem using ILP in a period of time depends on the complexity of the model and the instances used. To find the solution in reasonable time, we have developed a NDSCs based genetic algorithm (NDSC-GA). The candidate solutions are represented in chromosomes composed of a number of genes equal to the number q of NDSCs, and each gene is the number of monitoring seasons on which a NDSC is scheduled. We have then developed a GA that combines the four crossover operators and four mutation operators. The GA based methods are coded in C programming language to obtain a satisfying solution and the Cplex software was used to obtain the corresponding exact solution. Comparing the optimal solution obtained using the ILP on small instances, to the solutions obtained using our GA based method explained that our methods can find a solution near the optimal in reasonable time. Then, comparing the solution obtained using our NDSCs GA based methods, to the DSCs GA based method in the literature, we showed that the NDSCs GA can prolong the WSNs lifetime better than DSCs GA for the same instances. Our approach combines together the scheduling principles and the optimization techniques to maximizing the WSNs lifetime

Les réseaux de capteurs sans fil qui conviennent pour vaste domaine d’applications, constituent une solution prometteuse qui répond à toute exigence de surveillance continue. L’autonomie énergétique des nœuds constitue un facteur de vulnérabilité qui influe directement leur longévité et la capacité du réseau à assurer longuement la couverture d’une zone géographique d’intérêt. La gestion de consommation énergétique représente la seule approche pour accroître la durée de vie de ces réseaux et leur conférer une autonomie raisonnable. Des solutions logicielles proposées à travers les protocoles MAC, apportent des améliorations significatives à la minimisation de la dépense énergétique des nœuds. Elles permettent de réduire les périodes d’écoute du canal qui, représente l’opération la plus coûteuse en termes d’énergie dans le fonctionnement des nœuds de capteurs sans fil. Néanmoins, se limiter à ces solutions n’est pas suffisant pour garantir une longévité acceptable. La seule méthode pour optimiser la conservation d’énergie dans les RCSFs est de mettre chaque nœud constamment en mode faible puissance et d’utiliser un mécanisme de télé-réveil à travers des signaux de réveil. Cela implique, l’utilisation de circuits de réveil de faible consommation qui assurent la surveillance de canal et qui déclenchent le réveil des nœuds uniquement à chaque fois qu’événement d’intérêt se produit. Dans ce contexte, une quantité importante de travaux ont proposés l’utilisation d’un mécanisme d’adressage (adresses MAC ou d’autres informations binaires), pour permettre aux nœuds non concernés de retourner rapidement dans son état de sommeil. Cette démarche est intéressante, mais implique toutefois une dépense énergétique non négligeable, liée à la réception et au traitement des informations d’adresse au niveau de tous les nœuds. La solution la plus efficace énergétiquement serait l’utilisation d’une autre forme d’adresse. Cette thèse s’inscrit dans le contexte de minimisation de la consommation énergétique des RCSFs par la mise en œuvre d’un adressage qui permet aux nœuds de recevoir et de traiter les signaux de réveil, sans allumer leur module de communication principal. Il s’agit pour nous de supprimer la dépense énergétique liée à l’allumage du module RF et à la réception de paquets d’adresse, en se tournant vers l’exploitation de la durée des signaux de réveils. Notre solution se repose sur les caractéristiques matérielles du microcontrôleur (IRQ, Timer/Counter) des nœuds de capteurs. Elle permet de réduire les complexités liées aux conditionnements des signaux de réveils. Notre solution est implémentée sur un réseau de petite taille. Elle est évaluée expérimentalement et ses performances énergétiques sont comparées à celles d’un schéma classique de télé-réveil sans mécanisme d’adressage et à celles d’un schéma classique basé sur le duty-cycling. / Wireless sensor networks that are suitable for a wide range of applications, represent a promising solution that meets any requirement for continuous monitoring. The energy autonomy of sensor nodes constitutes a vulnerability factor that directly affects their longevity and the capacity of the network to ensure long coverage of the geographical area of interest. Energy consumption management is the only way to increase the lifespan of these networks and to give them a reasonable autonomy. Software solutions proposed through MAC protocols, bring significant improvements to the minimization of the energy expenditure of sensor nodes. They reduce the idle-listening periods which represents the most expensive operation in terms of energy, in the operation of the wireless sensor nodes. However, Focusing lonely on these solutions is not enough to guarantee acceptable longevity. The only way to optimize energy conservation in the WSN is to constantly put each node in low power mode and use a wakeup mechanism through wake-up signals. This involves the use of low-power wake-up circuits that provide channel monitoring, and trigger node wake-up only whenever event of interest occurs. In this context, a significant amount of work has proposed the use of an addressing mechanism (MAC addresses or other binary informations), to allow non-concerned nodes to quickly return to their sleep state. This approach is interesting, but involves a significant energy expenditure, related to address information’s reception and processing at all nodes. The most energy efficient solution would be the use of another type of address. This thesis is part of the context of minimizing the energy consumption of the WSN, using an addressing system that allows sensor nodes to receive and process the wake-up signals, without turning on their main communication module. It is to eliminate the energy expenditure related to the RF module’s activation and the reception of address packets, by exploiting wakeup signals duration. Our solution is based on the hardware characteristics of the microcontroller (IRQ, Timer/Counter) of sensor nodes. It reduces the complexities related to wakeup signals conditioning. Our solution is implemented on a small network. Its evaluations were done experimentally and its energy performance is compared to a conventional wake-up mechanism without addressing,and a conventional scheme based on duty-cycling.

Dans cette thèse, nous concevons et étudions un système de communication bidirectionnel par lumière visible (VLC) entre une diode électroluminescente (DEL) de couleur, intégrée à un objet connecté, et un smartphone. Le dispositif est ainsi capable d'envoyer et de recevoir des informations à travers sa DEL, tandis que le smartphone utilise sa caméra pour recevoir des données et son flash pour envoyer des informations. Nous mettons en œuvre et évaluons expérimentalement ce système VLC DEL-à-camera conçu spécifiquement pour les DELs de couleur à faible puissance. En nous appuyant sur les résultats d'une vaste étude expérimentale, nous modélisons, pour la première fois dans la littérature, le canal de communication DEL-à-caméra. Nous proposons alors un modèle de processus de Bernoulli modulé par une chaîne de Markov, qui nous permet d'étudier facilement l'efficacité de différentes stratégies de retransmission des messages. Nous exploitons ce modèle afin de concevoir un simulateur pour l'évaluation des performances des communications DEL-à-caméra. Afin d'obtenir un système de communication bidirectionnel, nous étudions ensuite les communications de type flash-vers-DEL entre un smartphone non-modifié et une petite DEL de couleur. Les performances, bien que limitées, sont suffisantes pour établir une voie retour qui permet de mettre en œuvre des mécanismes de fiabilisation. Nous proposons alors un mécanisme de codage linéaire pseudo-aléatoire, spécialement adapté aux conditions et contraintes du système DEL-à-caméra en ligne de visée directe. Notre évaluation expérimentale souligne que ce type d'approche augmente le rendement jusqu'à deux fois par rapport aux stratégies de retransmission classiques. Enfin, la plupart des objets que nous adressons ont des contraintes énergétiques importantes. Par conséquent, nous comparons la consommation d'énergie de notre système avec celle d'un module Bluetooth Low Energy avec une activité similaire. Nos résultats montrent que notre système réduit la consommation d'énergie dans le cadre d'un profil d'utilisation classique. / With the exponential growth of the Internet of Things, people now expect every household appliance to be smart and connected. At the same time, smartphones have become ubiquitous in our daily life. Their continuous performance improvement and their compatibility with a broad range of radio protocols as WiFi, Bluetooth Low Energy (BLE) or NFC make them the most convenient way to interact with these smart objects. However, providing wireless connectivity with BLE or NFC means adding an extra chipset and an antenna, increasing the object size and price. Previous works already have demonstrated the possibility of receiving information through visible light using an unmodified smartphone thanks to its camera. Also, LED-to-LED communication for smart devices like toys has been shown previously. However, past efforts in LED to camera communication for IoT device communication have been limited. In this work, we design LightIoT, a bidirectional visible-light communication (VLC) system between a low-cost, low-power colored LED that is part of an IoT device and an off-the-shelf smartphone. The IoT device is thus able to send and receive information through its LED, while the smartphone uses its camera to receive data and its flashlight to send information. We implement and experimentally evaluate a LED-to-camera VLC system, designed specifically for small LEDs. The proposed solution exploits the rolling shutter effect of unmodified smartphone cameras and an original decoding algorithm, achieving a throughput of nearly 2 kb/s. Based on the insight gained from an extensive experimental study, we model, for the first time in the literature, the LED-to-camera communication channel. We propose a Markov-modulated Bernoulli process model, which allows us to easily study the performance of different message retransmission strategies. We further exploit this model to implement a simulator for LED-to-Camera communications performance evaluation. In order to achieve bi-directional communications, we evaluate flashlight-to-LED communications using non-rooted smartphones and small LEDs. With these constraints, our implementation achieves a throughput of 30 bits/second. While limited, this is enough for a feed-back channel coming to support the required redundancy mechanisms. Some of these redundancy mechanisms are based on random linear coding, never tested previously in VLC. Therefore, we design and implement, for the first time in the literature, a pseudo random linear coding scheme especially fitted for line-of-sight LED-to-camera conditions. Experimental evaluation highlights that this type of approach increases the goodput up to twice compared to classical retransmission strategies. Finally, we compare the energy consumption of LightIoT with the one of a BLE module with similar activity. Our results show that using the LED for communication purposes reduces the energy consumption under a normal usage behavior.

Cette thèse aborde la performance du protocole KNX-RF utilisé dans les applications domotiques en termes de robustesse Radio Fréquences dans un environnement multi-protocoles potentiellement sujet aux interférences. Dans ces travaux, le but est d’évaluer les problématiques d’interférences rencontrées par KNX-RF en utilisant des modèles de simulation qui permettraient d’augmenter à sa fiabilité radio. Ainsi, un premier modèle a été développé sur MATLAB/Simulink et a permis de connaître les performances et les limitations de ce protocole au niveau de la couche physique dans un scénario d’interférence se produisant à l’intérieur d’une box/gateway domotique multi-protocoles. Ces simulations ont été complétées par des essais expérimentaux sur le terrain qui ont permis de vérifier les résultats obtenus. Un deuxième modèle a été développé pour évaluer les mécanismes de la couche MAC, cette fois-ci, grâce au simulateur OMNet++/MiXiM. Ce modèle reprend tous les mécanismes d’accès au canal et d’agilité en fréquence spécifiés par la norme KNX. Un scénario de collisions de trames a été simulé et plusieurs propositions d’améliorations sont discutées dans ce manuscrit. Les modèles développés permettent d’analyser et de prédire en avance de phase le comportement de KNX-RF dans un environnement radio contraignant. / This thesis addresses the performance of the KNX-RF protocol used for home automation applications in terms of radiofrequency robustness in a multi-protocol environment that is potentially subject to interferences. In this work, the aim is to assess the interference problems encountered by KNX-RF using simulation models that would increase its RF reliability. Thus, a first model was developed on MATLAB / Simulink and allowed to investigate the performance and limitations of this protocol at its physical layer in an interference scenario occurring inside a multiprotocol home and building automation box/gateway. These simulations were followed by field experimental tests in an indoor environment (house) to verify the results. A second model was developed to evaluate the MAC layer mechanisms of KNX-RF through the discrete event simulator OMNeT ++/Mixim. This model includes all the mechanisms of channel access and frequency agility specified by KNX-RF standard. A frame collision scenario was simulated and several improvement proposals are discussed in this manuscript. The developed models can be used to analyze and predict in advance phase the behavior of KNX-RF in a radio-constrained environment.

De nos jours, l’expérience de l'utilisateur appelé en anglais « User Experience » est devenue l’un des indicateurs les plus pertinents pour les fournisseurs de services ainsi que pour les opérateurs de télécommunication pour analyser le fonctionnement de bout en bout de leurs systèmes (du terminal client, en passant par le réseaux jusqu’à l’infrastructure des services etc.). De plus, afin d’entretenir leur part de marché et rester compétitif, les différents opérateurs de télécommunication et les fournisseurs de services doivent constamment conserver et accroître le nombre de souscription des clients. Pour répondre à ces exigences, ils doivent disposer de solutions efficaces de monitoring et d’estimation de la qualité d'expérience (QoE) afin d’évaluer la satisfaction de leur clients. Cependant, la QoE est une mesure qui reste subjective et son évaluation est coûteuse et fastidieuse car elle nécessite une forte participation humaine (appelé panel de d’évaluation). Par conséquent, la conception d’un outil qui peut mesurer objectivement cette qualité d'expérience avec une précision raisonnable et en temps réel est devenue un besoin primordial qui constitue un challenge intéressant à résoudre. Comme une première contribution, nous avons analysé l'impact du comportement d’un réseau sur la qualité des services de vidéo à la demande (VOD). Nous avons également proposé un outil d'estimation objective de la QoE qui utilise le système expert basé sur la logique floue pour évaluer la QoE à partir des paramètres de qualité de service de la couche réseau. Dans une deuxième contribution, nous avons analysé l'impact des paramètres QoS de couche MAC sur les services de VoD dans le cadre des réseaux sans fil IEEE 802.11n. Nous avons également proposé un outil d'estimation objective de la QoE qui utilise le réseau aléatoire de neurones pour estimer la QoE dans la perspective de la couche MAC. Pour notre troisième contribution, nous avons analysé l'effet de différents scénarios d'adaptation sur la QoE dans le cadre du streaming adaptatif au débit. Nous avons également développé une plate-Forme Web de test subjectif qui peut être facilement intégré dans une plate-Forme de crowd-Sourcing pour effectuer des tests subjectifs. Finalement, pour notre quatrième contribution, nous avons analysé l'impact des différents paramètres de qualité de service Web sur leur QoE. Nous avons également proposé un algorithme d'apprentissage automatique i.e. un système expert hybride rugueux basé sur la logique floue pour estimer objectivement la QoE des Web services / Today user experience is becoming a reliable indicator for service providers and telecommunication operators to convey overall end to end system functioning. Moreover, to compete for a prominent market share, different network operators and service providers should retain and increase the customers’ subscription. To fulfil these requirements they require an efficient Quality of Experience (QoE) monitoring and estimation. However, QoE is a subjective metric and its evaluation is expensive and time consuming since it requires human participation. Therefore, there is a need for an objective tool that can measure the QoE objectively with reasonable accuracy in real-Time. As a first contribution, we analyzed the impact of network conditions on Video on Demand (VoD) services. We also proposed an objective QoE estimation tool that uses fuzzy expert system to estimate QoE from network layer QoS parameters. As a second contribution, we analyzed the impact of MAC layer QoS parameters on VoD services over IEEE 802.11n wireless networks. We also proposed an objective QoE estimation tool that uses random neural network to estimate QoE from the MAC layer perspective. As our third contribution, we analyzed the effect of different adaption scenarios on QoE of adaptive bit rate streaming. We also developed a web based subjective test platform that can be easily integrated in a crowdsourcing platform for performing subjective tests. As our fourth contribution, we analyzed the impact of different web QoS parameters on web service QoE. We also proposed a novel machine learning algorithm i.e. fuzzy rough hybrid expert system for estimating web service QoE objectively

Actuellement, les systèmes permettant de transférer de l’énergie dans le but de recharger les accumulateurs d’appareils électroniques sans l’emploi de câble se démocratisent davantage chaque jour. On comprend donc bien l’intérêt de tels systèmes dans des environnements embarqués et confinés tels que l’habitacle d’un véhicule. Le principe de l’induction magnétique réside dans un transfert de flux magnétique entre deux antennes inductives. Le champ magnétique servira de vecteur au transport d’une puissance électrique, puisque c’est au travers de cette création de flux magnétique que sera échangée ou transférée la puissance d’un émetteur vers un récepteur. Un tel système d’émission-réception de puissance utilisant le principe d’induction magnétique contient un émetteur, des antennes (bobines) inductives couplées et un récepteur. Un premier chapitre sera donc consacré à l’étude des antennes d’un point de vue théorique et technologique. Des modèles électromagnétiques d’antennes inductives seront développés, et après validation par corrélation avec des mesures électriques et électromagnétiques, ils seront employés au travers d’intenses simulations électromagnétiques. Ceci afin de montrer l’impact des paramètres définissant ces antennes inductives sur leurs comportements électrique et électromagnétique. Une fois les antennes inductives optimisées et leurs paramètres clés identifiés, on étudiera dans un deuxième temps les effets de l’induction magnétique lorsque qu’une antenne d’émission et une autre de réception sont présentées ensembles et mises en condition de transfert d’énergie. On mettra donc en évidence le principe de couplage magnétique entre les antennes ainsi que la notion de rendement de puissance appelé aussi efficacité de liaison. Les différents paramètres des antennes seront là aussi caractérisés afin d‘étudier leur influence sur le transfert d’énergie inductif. Le tout illustré de la même manière que précédemment, en s’appuyant sur d’intenses simulations électromagnétiques et des modèles validés par rapport à différentes méthodes de mesure. Ceci dans le but de comprendre les mécanismes de fonctionnement et d’optimisation d’un système de transfert d’énergie par induction magnétique ainsi que de proposer des règles générales de conception d’antennes inductives. Dans un troisième temps, on présentera les différents étages électroniques composant les systèmes de transfert d’énergie inductif. Une partie sera dédiée à la définition du point de vue système des éléments constituant la chaine complète d’émission et de réception. La conception, l’optimisation et la mesure des amplificateurs de puissance utilisés au niveau de l’émetteur seront également présentés. En effet, ces systèmes doivent être suffisamment performants afin de transférer des puissances capables d’alimenter des appareils électroniques de type téléphones tout en ayant un bilan de puissance efficace avec des pertes limitées. A partir de modèles de circuits émetteur et récepteur et en s’appuyant sur des simulations circuits, nous estimerons les bilans de puissances afin d’évaluer les performances et les limites des différents systèmes. Ces simulations une fois validées par mesures permettront de quantifier l’efficacité du transfert de puissance et proposer des voies d’optimisation. Ces systèmes et technologies sont de plus en plus utilisés pour l’électronique grand public et il existe actuellement plusieurs standards régissant le transfert d’énergie inductif. Les différentes études présentées dans cette thèse seront donc orientées vers ces différentes normes, et des analogies seront réalisées tout le long du mémoire afin de mettre en exergue leurs différents principes de fonctionnement. / Nowadays there is a strong demand of systems allowing to transfer energy in a wirelessly way to small electronic devices. So we can well understand the interest of such systems in embedded environments such as vehicle cockpit. The principle of magnetic induction comes from a magnetic flux exchange between two inductive antennas. The magnetic field will be used to transport an electrical power from an emitter to a receiver. These systems using the magnetic induction to transfer energy contain an emitter, inductive antennas (coils) and a receiver. A first chapter will be dedicated to the antennas employed in inductive wireless power transfer systems on theoretical and technological points of views. An electromagnetic modeling of these inductive antennas will be realized and validated through correlation with measurements. Once the modeling process defined and the validations done, it will be used through intensive electromagnetic simulations in order to show the impact of antennas parameters on their electrical and electromagnetic performances. After the inductive antennas characterization and their key parameters identification done, we will study in a second time the magnetic induction effects when emission and reception antennas are placed together in order to realize an inductive power transfer. Notions of magnetic coupling which appears between inductive antennas and magnetic efficiency which characterizes how much quantities of power are transferred will be highlighted. In the same conditions as before, the impact of antennas parameters on the power transfer and magnetic coupling will be investigated through electromagnetic modeling of inductive antennas and the use of intensive electromagnetic simulations. Thus, we will have the opportunity to precisely understand the meaning of the inductive power transfer and the different ways of optimizations. By this way, we will also propose some general design guidelines for antennas employed in inductive wireless power transfer systems. A third chapter will be dedicated to the presentation of the different electronic stages used in inductive wireless power transfer systems. A part of it will be employed on the definitions of the different elements allowing the wireless power transfer on a system approach. The design, optimization and measurement of power amplifiers used on the emission stage will be presented too.. Indeed, it is necessary to have efficient power amplification in order to transfer the required power to different receivers such as phones at the same time to limit the power losses. From circuit modeling of different emitter and receiver and with circuit simulations, we will develop power budgets in order to evaluate the performances and limits of these systems. Once the simulation validated by measurement, we will be able to quantify the total power transfer efficiency and propose optimization ways. Because of the current existence of different inductive wireless power standards on the industrial market for electronic consumer, analogies with them will be done all along the different steps of this thesis in order to highlighted their different functioning principles.