La robotique a fait progresser les interventions chirurgicales, avec des interventions moins invasives, une manipulation d’instruments plus précise et une meilleure dextérité. Néanmoins, le manque de retour haptique sur les plates-formes chirurgicales existantes aujourd’hui rend délicat l’accomplissement des gestes chirurgicaux et par conséquent augmente le risque de ces procédures. Avec l’introduction d’un retour haptique, les robots chirurgicaux sont conçus avec une approche de télé-opération bilatérale. Le retard, inhérent à cette approche, est crucial car même un petit retard pourrait déstabiliser le système. En pratique, le retard est inévitable, notamment pour les robots miniaturisés avec communication sans fils. Pour résoudre les problèmes liés à l’instabilité induite par le retard et rendre passif le canal de communication, l’approche de wave variable transformation (WVT) a été proposée. Néanmoins, les performances de suivi sont compromises à cause de la conservation de la condition de passivité. Dans cette thèse, une nouvelle approche de compensation basée sur la structure de wave variable, et considérant moins de condition de conservation est proposée afin d’améliorer les performances de suivi en position, en vitesse et en force. Pour garantir la passivité du système global, une approche énergétique (energy reservoir based regulators) est développée pour ajuster les termes de WVT avec une analyse rigoureuse. La méthode proposée permet d’améliorer les performances de suivi avec uniquement un retard de transmission dans un seul sens. Pour faciliter davantage les procédures chirurgicales, notamment les microchirurgies, deux facteurs d’échelle ont été rajoutés à l’approche de compensation. Une analyse de passivité a été par ailleurs menée en considérant la transparence du système. Les performances de suivi peuvent être obtenues si et seulement si les conditions de passivité et de transparence sont satisfaites. Les approches de compensation, avec et sans mise à l’échelle, ont été vérifiées à travers des simulations et des évaluations expérimentales. / Robotic technology has advanced the surgical procedures in terms of reduced trauma, more accurate manipulation and enhanced dexterity. However, the lack of haptic feedback on existing surgical robotic platforms makes it impossible for the surgeon to feel the operative site,and thus increases the risks of surgical procedures. With the introduction of haptic feedback, the surgical robots are design in bilateral teleoperation way. Time delay in bilateral teleoperation is crucial because even small time delay may destabilize the system. In practice, time delay is unavoidable, e.g. wireless communication miniaturized surgical robots, internet based robotic-assisted telesurgery and transmission of big amount of information, etc. In order to solve the instability caused by time delay in bilateral teleoperation, wave variable transformation (WVT) method has been proposed to passivate the delayed communication channel. However, the tracking performances are compromised due to the conservative passivity condition. In this thesis, a new wave variable compensation (WVC) structure with less conservative condition is proposed to enhance the velocity/position and force tracking performances. In order to guarantee the passivity of the whole system, energy reservoir based regulators are designed to adjust the WVC terms in the proposed structure with rigorous analysis. The WVC is able to achieve tracking performance with only single trip time delay. To better facilitate the surgical procedures, e.g. the microsurgeries, a scaled WVC structure is also developed by adding two scaling factors to the WVC structure. Passivity analysis on the scaled WVC is conducted with consideration of system transparency. Scaled tracking performance can be obtained as long as the two obtained passivity and transparency conditions are satisfied. The proposed WVC and scaled WVC have been verified through simulation and experimental studies.

Les progrès dans l'architecture de réseau informatique ajoutent continuellement de nouvelles fonctionnalités aux problèmes de routage des véhicules. Dans cette thèse, le problème de tournée des véhicules avec la collecte de donnée sans fil (WT-VRP) est étudié. Il recherche un itinéraire pour le véhicule chargé de collecter des informations auprès des stations ainsi qu'un planning efficace de collecte d'informations. La nouvelle fonctionnalité ajoutée ici est la possibilité de récupérer des informations via une transmission sans fil, sans visiter physiquement les stations du réseau. Le WT-VRP a des applications dans la surveillance sous-marine et la surveillance environnementale. Nous discutons les critères pour mesurer l'efficacité d'une solution et proposons des formulations de programmation linéaire en nombre entier mixte pour résoudre le problème. Des expériences computationnelles ont été réalisées pour accéder à la complexité numérique du problème et pour comparer les solutions selon les critères proposés. Ensuite, nous avons renforcé certains modèles ainsi que considéré différentes suppositions pour le réseaux sans fils. Finalement, pour être capable de résoudre le problème dans des réseaux de grande échelle, nous avons développés des méthodes heuristiques pour le WT-VRP. / The vehicle routing problem is one of the most studied problems in Operations Research.Different variants have been treated in the past 50 years and with technologicaladvances, new challenges appear. In this thesis, we introduce a new variation of theVRP appearing in wireless networks. The new characteristic added to this well-knowproblem is the possibility of pick-up information via wireless transmissions. In the contextconsidered here, a unique base station is connected with the outside and a vehicleis responsible for collecting information via wireless connection to the vehicle when it islocated in another sufficiently close station. Simultaneous transmissions are permitted.Time of transmission depends on the distance between stations, the amount of informationtransmitted, and other physical factors (e.g obstacles along the way, installedequipment). Information to be sent outside of the network is continuously generatedin each station at a constant rate. The first contribution of this thesis is the introductionof a mixed ILP formulation for a variation in which it is only possible to send all theinformation or nothing during a wireless transmission. For this model three differentstrategies are investigated: maximizing total amount of information extracted an theend of the time horizon; maximizing the average of the information in the vehicle ateach time point; and maximizing the satisfaction of each station at the end of the timehorizon. Each strategy is translated as a different objective function for the mixed ILPformulation. The problem is then reformulated by accepting the option of sending onlypart of the information during a wireless transmission and considering only the firststrategy,(i.e. maximizing the amount of information extracted at the end of the horizontime). For this new version, we present three mixed ILP formulations, each one withadvantages and disadvantages. These mixed ILP models are compared according to theCPU time, amount of information collected, gap of unresolved instances, etc. Becausein real life we need to solve problems with a large number of stations, in this thesis,we also propose heuristics methods for the second version of the problem introduced.We build some heuristics that do not depend on the mixed ILP model (as for exampleGreedy heuristics) and also matheuristcs. In our matheuristics our best model (a vehicleevent model) is used as a base for the development of construction of Heuristics aswell as local search heuristics.

Fréquemment exploités pour venir en complément aux réseaux mobiles traditionnels, les réseaux sans-fil multi-sauts, aussi appelés réseaux ad-hoc, sont particulièrement mis à profit dans le domaine des communications d'urgence du fait de leur capacité à s'affranchir de toute infrastructure. Néanmoins, la capacité de ces réseaux étant limitée dès lors que le nombre d'utilisateurs augmente, la communauté scientifique s'efforce à en redéfinir les contours afin d'étendre leur utilisation aux communications civiles. La gestion des interférences, considérée comme l'un des principaux défis à relever pour augmenter les débits atteignables dans les réseaux sans-fil multi-sauts, a notamment connu un changement de paradigme au cours des dernières années. Alors qu'historiquement cette gestion est régie par les protocoles de la couche d'accès dont l'objectif consiste à éviter les interférences entre utilisateurs, il est désormais possible, grâce à différentes techniques avancées de communication numérique, de traiter ces interférences, et même de les exploiter. Ces techniques de transmission, dites techniques de gestion des interférences, viennent alors concurrencer les mécanismes d'ordonnancement traditionnels en autorisant plusieurs transmissions simultanées et dans la même bande de fréquence vers un même récepteur. Dans cette thèse, nous nous intéressons à l'une de ces techniques, le Physical-Layer Network Coding (PLNC), en vue de son intégration dans des réseaux ad-hoc composés de plusieurs dizaines de nœuds. Les premiers travaux se concentrant principalement sur des petites topologies, nous avons tout d'abord développé un framework permettant d'évaluer les gains en débit à large échelle du PLNC par rapport à des transmissions traditionnelles sans interférence. Motivés par les résultats obtenus, nous avons ensuite défini un nouveau cadre d'utilisation à cette technique visant à élargir sa sphère d'application. Le schéma de PLNC proposé, testé à la fois sur de vrais équipements radio et par simulation, s'est alors révélé offrir des gains significatifs en débit et en fiabilité en comparaison aux solutions existantes.

Depuis ces deux dernières décennies, une nouvelle technologie sans fil appelée Réseau de Capteur Sans Fil (RCSF) résultant d"une fusion entre les systèmes embarqués et les communications sans fil a vu le jour. Un RCSF ("WSN : Wireless Sensor Network" en Anglais) est un réseau Ad hoc composé d"un grand nombre de nœuds qui sont des micro-capteurs qui peuvent être déployés de façon aléatoire ou déterministe dans une zone d"intérêt donnée. Ces nœuds capteurs sont capables de récolter plusieurs paramètres physiques sur l"environnement qui les entoure, appelé généralement zone de captage (ou zone de surveillance). Ensuite, ils doivent si nécessaire traiter les données capturées et les transmettre à un (ou plusieurs) nœud de collecte appelé station de base, centre de traitement ("sink" en Anglais). Beaucoup de domaines d"applications tels que le contrôle et suivi environnemental, le contrôle de production dans l"industrie, la surveillance de zone, le monitoring de l"habitat, l"agriculture intelligente, etc. sont basés sur les RCSF. Toutefois, les RCSF ne sont pas parfaits. En effet, compte tenu de leur petite taille, leur faible coût et leurs déploiement dans des zones souvent hostiles ou difficiles d"accès, les nœuds capteurs présentent un certain nombre de faiblesses parmi lesquelles une durée de vie du réseau limitée, une bande passante faible, des capacités de capture et de communication réduites, etc. Afin de surmonter ces contraintes des RCSF, plusieurs problématiques de recherche sont nées ces dernières années, et les principales portent sur l"optimisation de la consommation énergétique en vue d"améliorer la durée de vie du réseau. D"autres recherches importantes menées dans le domaine de ces réseaux portent sur les stratégies de placement des nœuds, sur la couverture de zones et sur la connectivité du réseau. Cependant, la plupart des solutions proposées ces dernières années ne prennent pas en compte toutes ces problématiques dans leurs modèles de résolution ; alors que dans beaucoup d"applications des RCSF telles que la surveillance de zone critique, le monitoring de l"habitat, l"agriculture intelligente, il est nécessaire de garantir en même temps une couverture complète de la zone de surveillance, une bonne connectivité du réseau, tout en optimisant au mieux la durée de vie de celui-ci. Le but de cette thèse est donc de proposer de nouveaux mécanismes efficaces pour l"optimisation de la durée de vie dans les RCSF, tout en garantissant, à tout moment de cette durée de vie, une couverture totale de la zone de surveillance, ainsi qu"une bonne connectivité du réseau. Pour atteindre nos objectifs, nous avons étudié et fait des propositions dans deux axes qui sont le placement des nœuds et les mécanismes d"ordonnancement au niveau de la couche MAC. Pour ces derniers, nous avons mis en place un algorithme appelé DSMAC (Distributed Scheduling Medium Acces Control) qui est basé sur notre méthode de placement des nœuds. Par ailleurs, DSMAC permet de couvrir 100% de la zone de surveillance, assure une bonne connectivité du RCSF et permet également aux nœuds capteurs d"économiser jusqu"à 30% de leur énergie comparativement à d"autres protocoles MAC tels que TunableMAC. / Since the past two decades, a new technology called Wireless Sensor Network (WSN) which result in a fusion of embedded systems and wireless communications has emerged. A WSN is Ad hoc network composed of many sensors nodes communicating via wireless links and which can be deployed randomly or deterministically over a given interest region. Theses sensors can also collect data from the environment, do local processing and transmit the data to a sink node or Base Station (BS) via multipath routing. Thereby, a wide range of potential applications have been envisioned using WSN such as environmental conditions monitoring, wildlife habitat monitoring, industrial diagnostic, agricultural, improve health care, etc. Nevertheless,WSN are not perfect. Indeed, given their small size, their low cost and their deployment generally in hostile or difficult access areas, sensor nodes have some weaknesses such as: a limited energy, so a network lifetime limited, limited bandwidth, limited computations and communications capabilities, etc. To overcome these limitations, several research issues from were created in recent years, and the main issues focus on the optimization of energy consumption in order to improve the network lifetime. Other important researches focus on issues of coverage areas, placement strategies of sensor nodes and network connectivity. However, most solutions proposed in recent years to resolve these issues do not take into account all these issues that we cited above in resolutions models; while in many WSN applications such as monitoring critical region, wildlife habitat monitoring, agricultural application, a full coverage of the monitoring region and network connectivity are mandatory as well an energy-awareness network lifetime. The objective of this thesis is thus to propose new scheduling mechanisms for optimizing the network lifetime in WSN, while ensuring at any time of the network lifetime a full coverage of the monitored region and network connectivity. To achieve our goals, we have study and done proposal in two axes which are placement strategy of sensor nodes and scheduling mechanism in the MAC layer. For these, we have implemented a Distributed Scheduling Medium Access Control algorithm (DSMAC) based on our placement method. Furthermore, DSMAC enables to cover 100% of the monitored region, to ensure optimal network connectivity and also allows sensors node to save up to 30% of their energy compared to other MAC protocols such as TunableMAC.

Le passage à l’échelle des protocoles de routage est un des problèmes les plus critiques pour les réseauxmobiles sans fil à grande envergure. Dans ce cadre, le concept de clusterisation peut être mis à profit dans lafonction de routage afin d’améliorer les performances de ces réseaux. En premier lieu, cette thèse présentenotre algorithme de clusterisation à 1-saut alpha-SSCA (α-Stability Structure Clustering Algorithm) qui apour objectif d’améliorer la stabilité de la structure des clusters. Un algorithme générique de clusterisationà K-sauts est également proposé en ayant le même but de stabilité visé par alpha-SSCA tout en réduisant lenombre de clusters générés et en étant indépendant de la métrique d’élection des cluster-heads. Ensuite, nousprésentons notre proposition d’un protocole de routage à état des liens des clusters qui exploite les apports denotre mécanisme de clusterisation α-SSCA. Ce protocole, appelé CLSR (Cluster-based Link State Routing),vise à réduire le trafic de contrôle afin d’améliorer les performances du réseau à large échelle. Nous avonsproposé aussi une version hiérarchique du protocole CLSR. Ce protocole de routage introduit une hiérarchiedans la structure des clusters qui permet de réduire le nombre de clusters en groupement des clusters prochesdans un même cluster. L’objectif principal de ce protocole hiérarchique est d’améliorer la scalabilité de CLSRquand le nombre de noeuds dans le réseau augmente considérablement. / Scalability is one of critical challenges for routing protocols in large scale mobile wireless networks. In thiscontext, clustering technique seems a promising approach to overcome the scalability problem. First, we proposea one hop clustering algorithm, alpha-SSCA (alpha-Stability Structure Clustering Algorithm), whichaims to improve the stability of the clusters structure. Second, we present a proposal of a generic K-hopsclustering algorithm which is independent of the metrics used to elect cluster-heads. The main contributionof this last algorithm is to enhance the stability of the clusters structure while reducing the number of clusters.Clustering mechanism is introduced in our proposed routing protocol CLSR (Cluster-based Link StateRouting) in order to reduce the control overhead. The main objective of CLSR is to take profit of the stablestructure of clusters to enhance the network scalability.We propose also a second proactive link-state protocolwhich is based on hierarchical clustering. This protocol makes use of hierarchical clustering to more reducethe routing overhead.

Au cours des quinze dernières années, le développement de plateformes embarquées intelligentes et les progrès des protocoles de communication radio ont permis l'émergence de réseaux de capteurs sans-fils (WSN). D'autre part, la démocratisation d'Internet et du Web, ainsi que l'augmentation des débits ont contribué à l'essor d'un nouveau paradigme : le Cloud computing. L'Internet des Objets, (IoT) ou Internet des Objets réalise la convergence entre les réseaux de capteurs et le Cloud computing. De nombreux travaux adressant les problématiques de l'IoT ont étés menés ces dix dernières années, cependant ces propositions manquent ne tiennent pas suffisamment compte des problématiques de sécurité et de protection des données. D'après Gartner, 70 % des plateformes déployées ne disposent pas d'une solution de sécurité efficace, les rendant vulnérables aux attaques. Dans le domaine des monnaies numériques, Bitcoin propose en son sein une nouvelle structure de données authentifiée et trustless permettant la décentralisation de l'enregistrement de transactions en s'appuyant sur un protocole permettant d'obtenir un consensus : la blockchain. Cette thèse se focalise sur l'utilisation de cette nouvelle structure de données dans les WSN dans un contexte IoT, comme base pour la définition d'une architecture sécurisée et adaptative basée sur la blockchain. Le but de cette architecture est d'intégrer les solutions existantes pour l'organisation du réseau et l'accès aux services de manière innovante afin de réaliser l'intégration des WSN avec l'infrastructure web; mais aussi d'y adjoindre une solution répondant aux nouveaux besoins de sécurités et contraintes spécifiques des réseaux de capteurs. Nous proposons pour cela un framework nommé Network Service Loader (NSL) en charge de la gestion de services et d'agents mobiles, auquel s'adjoint notre solution Blockchain Authentication and Trust Module (BATM) en charge de l'authentification, du contrôle d'accès, ainsi que des évaluations de confiance via l'algorithme Maximum Likelihood Trust Estimator (MLTE). / During the last fifteen years, the rise of smart and wireless enabled embedded devices lead to the development of wireless sensor networks (WSN). In the same time, the emerging of Cloud computing with the development of the Internet and the Web as an everyday technology thanks to the rise of bandwidth and processing power leads to new network paradigms. The Internet of Things (IoT) primary goal is to bridge the gap between these technologies and bring WSN sensing and actuating abilities to Cloud applications. We count a significant amount of work targetting the IoT in the last decade, however they lack proper solutions to ensure data privacy and security. Gartner investigations shows that 70 % of connected and smart devices provide little or no security policies and solutions, making both user and devices vulnerable to attackers. In the field of digital currencies, Bitcoin proposed a new authenticated and trustless data structure dedicated to transactions logging in a decentralized network with the help of a consensus protocol : the blockchain. This thesis is focused on bringing the blockchain technology as a new solutions for security in decentralized WSN in the IoT, providing the basis for a secure and adaptative agent-based middleware and execution framework. This framework attempt to federate existing work regarding the architecture of the IoT, but also to tackle security issues regarding network access, agent execution and trust evaluation. To achieve this goal, we propose Network Service Loader (NSL), an agent-based middleware constructed of existing protocols in a new way, along with a new solution called Blockchain Authentication and Trust Module (BATM) dedicated to node and users authentication, access control policies, and trust evaluation through our new Maximum Likelihood Trust Estimator (MLTE) algorithm.

Les travaux présentés dans ce mémoire s'inscrivent dans la thématique du Transport d'Energie Sans Fil (TESF). Cette étude a pour objectif l'optimisation de la partie réception du système de TESF où s'opère le redressement de l'énergie micro-onde en énergie continue. Ce processus complexe de nature non-linéaire est délicat à appréhender aussi bien en théorie qu'en pratique. Ainsi, une optimisation ne sera concevable que si l'on maîtrise d'un point de vue conceptuel, expérimental et technologique, la mise en oeuvre d'une radiopile. Ceci a motivé la démarche de mise en place d'une méthodologie de synthèse de radiopile bornée à un domaine de fonctionnement. La démarche choisie consiste, partant de données expérimentales, à établir une modélisation simple et précise des différents éléments constituant la radiopile afin d'optimiser efficacement le système complet à l'aide d'un environnement de simulation unique

Pour répondre aux demandes de haut débit exigées par les communications mobiles de dernières générations, une solution consiste à augmenter le nombre d'antennes à l'émission et à la réception de la liaison sans fil. On parle alors de technique MIMO (Multiple Input, Multiple Output). De même, pour réduire les évanouissements des signaux provoqués par l'environnement de propagation multi-trajets, la technique de diversité qui consiste à placer une antenne à l'émission et plusieurs antennes à la réception peut être utilisée. Cependant, l'intégration de plusieurs antennes sur le plan de masse d'un même téléphone portable est un challenge délicat. En effet, à cause du volume restreint de l'appareil, une forte isolation entre antennes doit être atteinte afin de maximiser le gain de diversité et/ou d'accroître la capacité de transmission du système global. Le travail de cette thèse a consisté à montrer qu'il était possible à l'aide d'un effet de neutralisation, d'intégrer deux résonateurs quart d'onde étroitement proches sur un PCB, tout en les maintenant fortement isolés du point de vue électromagnétique et présenter ainsi des efficacités totales très satisfaisantes. Ces résultats étaient cependant obtenus pour deux antennes PIFAs n'opérant pas dans la même bande de fréquence (DCS et UMTS). Ce travail a ensuite été étendu avec la mise en oeuvre de la technique de neutralisation pour des systèmes multi-antennes opérant dans la même bande de fréquence UMTS. Plusieurs structures sont réalisées. Leurs performances en diversité et en MIMO sont mesurées dans une chambre réverbérante à Göteborg et dans un environnement réel à Helsinki.

Dans les réseaux sans fil distribués où plusieurs antennes ne peuvent pas être intégrées dans un même nœud de communication, les techniques MIMO (Multiple Input Multiple Output) coopératives permettent d'exploiter le gain de la diversité spatio-temporelle pour augmenter les performances ou réduire l'énergie consommée pour les communications. Dans cette thèse, des stratégies MIMO coopératives sont proposées pour les réseaux de capteurs sans fil (RCS), où la consommation d'énergie est la contrainte la plus importante. Leur avantage en termes de taux d'erreur et de consommation d'énergie sur les techniques mono-antenne (SISO), même multi-étapes, et sur les techniques de relais, est clairement mis en évidence. Une sélection du nombre d'antennes d'émission et de réception, optimale en termes d'efficacité énergétique, est également proposée en fonction des distances de transmission. Les inconvénients du MIMO coopératif, comme les imperfections de synchronisation à l'émission ou les bruits additifs en réception, qui affectent leurs performances dans les réseaux sans fil distribués, sont abordés. Deux nouvelles techniques de réception coopérative basées sur le principe de relais, ainsi qu'une nouvelle technique de combinaison spatio-temporelle sont proposées afin d'augmenter l'efficacité énergique de ces systèmes MIMO coopératifs. Enfin, des comparaisons de performance et de consommation d'énergie entre les techniques MIMO coopératives et de relais montrent que leur utilisation dépend beaucoup de la topologie du réseau et de l'application. Une stratégie d'association est proposée pour exploiter simultanément les avantages des deux techniques de coopération.

Résumé : La thèse développe une contribution à la spécification, la modélisation et l'évaluation de mécanismes destinés à la fourniture de qualité de service dans les réseaux sans fil locaux et métropolitains. La première partie du travail concerne une modélisation en chaîne de Markov du protocole d'accès EDCA de IEEE 802.11e qui, par rapport aux modèles présents dans la littérature, ajoute des mécanismes du standard qui n'avaient pas été introduits (prise en compte explicite de la collision virtuelle) et corrige des erreurs de conception (prise en compte des périodes AIFS de la procédure de Backoff). Ce modèle a été rendu synthétique pour en faciliter l'usage (réductions réalisées à l'aide des règles de Beizer). Ce modèle a ensuite été utilisé pour définir un algorithme de contrôle d'admission hybride, intégrant dans son processus de décision un modèle analytique et des mesures de l'état du réseau. L'algorithme de contrôle d'admission ainsi développé a été en premier lieu validé puis comparé à d'autres algorithmes de contrôle d'admission par simulation sous ns-2. Notons aussi que nous avons proposé, une modification du comportement de EDCA face à une collision virtuelle assurant une meilleure équité aux catégories d'accès. Cette modification a été évaluée à l'aide du modèle. Une deuxième partie du travail consiste en la proposition pour WiMAX d'une architecture de gestion de bande passante pouvant fournir des garanties de qualité de service. Cette architecture se compose de trois parties interagissantes : 1- une gestion de la bande passante sous WiMAX assimilée à une classe de serveurs dite classe des serveurs latence-débit, 2- un mécanisme de requête-réponse de bande passante agrégée simplifiant la gestion de bande passante et la rendant plus flexible, 3- un protocole de contrôle d'admission associé à l'architecture et qui en garantit le bon fonctionnement. L'architecture ainsi conçue s'inscrit dans une prospective de réseaux hétérogènes sans fil (réseaux métropolitain WiMAX connectant entre eux et à Internet des réseaux locaux WiFi). C'est dans cette optique que s'inscrira la suite de notre travail. Elle consistera en la combinaison des mécanismes que nous proposons afin de fournir une solution complète de qualité de service pour des réseaux hétérogènes sans fil.