Pour réduire la consommation d'énergie due aux transmissions radio dans les réseaux de capteurs sans fil, nous proposons une nouvelle approche associant les techniques de précodage MIMO et de relais, appelé précodage distribué max-dmin (DMP). Considérant une source et un relais avec une antenne chacun, et une destination disposant de deux antennes, nous déployons un système MIMO précodé virtuel 2 × 2. Dans ce contexte, nous étudions deux techniques de relais Amplify and Forward (AF) et Decode and Forward (DF). Des comparaisons en termes de taux d'erreur et d'efficacité énergétique par rapport aux systèmes plus classiques comme les codes spatio-temporels distribués ou les combinaisons à gain maximal montrent que notre système est intéressant pour des distances de transmission moyennes (à partir de 16 mètres). Toujours dans l'objectif de maximiser l'efficacité énergétique, nous proposons une allocation de puissance sur les nœuds source et relais. Pour cela, nous dérivons analytiquement les performances du système précodage distribué max-dmin selon le mode AF et DF. Enfin,pour améliorer les performances des systèmes avec décodage au relais (DF), nous proposons un nouveau récepteur (à la destination) qui tient compte des erreurs éventuelles au niveau du relais. / Among various cooperative techniques aiming to reduce power consumption for transmissions between Wireless Body Area Networks (WBAN) and base stations, we present a new approach, named distributed max-dmin precoding (DMP), combining MIMO precoding techniques and relay communications. This protocol is based on the deployment of a virtual 2 × 2 max-dmin precoding over one source, one forwarding relay, both equipped with one antenna and a destination involving 2 antennas. In this context, two kinds of relaying, amplify and forward (AF) or decode and forward (DF) protocols, are investigated. The performance evaluation in terms of Bit-Error-Rate (BER) and energy efficiency are compared with non cooperative techniques and the distributed space time block code (STBC) scheme. Our investigations show that the DMP takes the advantage in terms of energy efficiency from medium transmission distances (after 10 meters). In order to maximise the energy efficiency, we propose a power allocation over the source and the relay. Thus, we derive the performance of our system, both for AF and DF, analytically. To further increase the performance of DF cooperative schemes, we also propose to design a new decoder at the destination that takes profit from side information, namely potential errors at the relay.

In this thesis we explore if a proposed random binary sequence generation algorithm can be combined with a separately proposed symmetric key agreement protocol to provide usable security for communications in Wireless Body Area Networks (WBAN). Other previous works in this area fall short by only considering key generation between two of the same signals or allowing for key generation between two different types of signals but with the cost of a significant signal collection time requirement. We hoped to advance this area of research by making secure key generation more efficient with less signal collection time and allowing keys to be generated between two sensors that measure two different physiological signals. However, while the binary sequence generation algorithm and key agreement protocol perform well separately, they do not perform well together. The combined approach yields keys that have good properties for use in a WBAN, but the generation rate is low.

No description available.

L'un des défis majeurs du monde de ces dernières décennies a été l'augmentation continue de la population des personnes âgées dans les pays développés. D’où la nécessité de fournir des soins de qualité à une population en croissance rapide, tout en réduisant les coûts des soins de santé. Dans ce contexte, de nombreux travaux de recherche portent sur l’utilisation des réseaux de capteurs sans fil dans les systèmes WBAN (Wireless Body Area Network), pour faciliter et améliorer la qualité du soin et de surveillance médicale à distance. Ces réseaux WBAN soulèvent de nouveaux défis technologiques en termes de sécurité et de protection contre les anomalies et les attaques. Le mode de communication sans fil utilisé entre ces capteurs et l’unité de traitement accentue ces vulnérabilités. En effet les vulnérabilités dans un système WBAN se décomposent en deux parties principales. La première partie se compose des attaques possibles sur le réseau des capteurs médicaux et sur le médium de communications sans fils entre ces capteurs et l’unité de traitement. La deuxième partie se compose des attaques possibles sur les communications à haut débit entre le système WBAN et le serveur médical. L’objectif de cette thèse est de répondre en partie aux problèmes de détection des attaques dans un système WBAN de surveillance médicale à distance. Pour atteindre cet objectif, nous avons proposé un algorithme pour détecter les attaques de brouillage radio (jamming attack) qui visent le médium de communications sans fils entre les capteurs et l’unité de traitement. Ainsi nous avons proposé une méthode de mesure de divergence pour détecter les attaques de type flooding qui visent les communications à haut débit entre le système WBAN et le serveur médical. / One of the major challenges of the world in recent decades is the continued increase in the elderly population in developed countries. Hence the need to provide quality care to a rapidly growing population while reducing the costs of health care is becoming a strategic challenge. In this context, many researches focus on the use of wireless sensor networks in WBAN (Wireless Body Area Network) systems to facilitate and improve the quality of medical care and remote monitoring. These WBAN systems pose new technological challenges in terms of security and protection against faults and attacks. The wireless communication mode used between the sensors and the collection node accentuates these vulnerabilities. Indeed vulnerabilities in a WBAN system are divided into two main parts. The first part consists of the possible attacks on the network of medical sensors and on the wireless communications medium between the sensors and the processing unit. The second part consists of possible attacks on high-speed communications between the WBAN system and the medical server. The objective of this thesis is to meet some of the problems of detecting attacks in a WBAN system for remote medical monitoring. To achieve this goal, we propose an algorithm to detect the jamming attacks targeting the wireless communications medium between the sensors and the processing unit. In addition we propose a method of measuring divergence to detect the flooding attacks targeting the high-speed communications between the WBAN system and the medical server.

Le développement des réseaux de capteurs sans fil fait que chaque utilisateur ou organisation est déjà connecté à un nombre important de nœuds. Ces nœuds génèrent une quantité importante de données, rendant la gestion de ces données non évident. De plus, ces données peuvent contenir des informations concernant la vie privée. Les travaux de la thèse attaquent ces problématiques. Premièrement, nous avons conçu un middleware qui communique avec les capteurs physiques pour collecter, stocker, traduire, indexer, analyser et générer des alertes sur les données des capteurs. Ce middleware est basé sur la notion de composants et de composites. Chaque nœud physique communique avec un composite du middleware via une interface RESTFul. Ce middleware a été testé et utilisé dans le cadre du projet Européen Mobesens dans le but de gérer les données d'un réseau de capteurs pour la surveillance de la qualité de l'eau. Deuxièmement, nous avons conçu un protocole hybride d'authentification et d'établissement de clés de paires et de groupes. Considérant qu'il existe une différence de performance entre les noeuds capteur, la passerelle et le middleware, nous avons utilisé l'authentification basé sur la cryptographie basée sur les identités entre la passerelle et le serveur de stockage et une cryptographie symétrique entre les capteurs et les deux autres parties. Ensuite, le middleware a été généralisé dans la troisième partie de la thèse pour que chaque organisation ou individu puisse avoir son propre espace pour gérer les données de ses capteurs en utilisant le cloud computing. Ensuite, nous avons portail social sécurisé pour le partage des données des réseaux de capteurs / Nowadays, each user or organization is already connected to a large number of sensor nodes which generate a substantial amount of data, making their management not an obvious issue. In addition, these data can be confidential. For these reasons, developing a secure system managing the data from heterogeneous sensor nodes is a real need. In the first part, we developed a composite-based middleware for wireless sensor networks to communicate with the physical sensors for storing, processing, indexing, analyzing and generating alerts on those sensors data. Each composite is connected to a physical node or used to aggregate data from different composites. Each physical node communicating with the middleware is setup as a composite. The middleware has been used in the context of the European project Mobesens in order to manage data from a sensor network for monitoring water quality. In the second part of the thesis, we proposed a new hybrid authentication and key establishment scheme between senor nodes (SN), gateways (MN) and the middleware (SS). It is based on two protocols. The first protocol intent is the mutual authentication between SS and MN, on providing an asymmetric pair of keys for MN, and on establishing a pairwise key between them. The second protocol aims at authenticating them, and establishing a group key and pairwise keys between SN and the two others. The middleware has been generalized in the third part in order to provide a private space for multi-organization or -user to manage his sensors data using cloud computing. Next, we expanded the composite with gadgets to share securely sensor data in order to provide a secure social sensor network

Actuellement, des descriptions basées sur de simples schémas XML sont utilisées pour décrire un capteur/actuateur et les données qu’il mesure et fournit. Ces schémas sont généralement formalisés en utilisant le langage SensorML (Sensor Model Language), ne permettant qu’une description hiérarchique basique des attributs des objets sans aucune notion de liens sémantiques, de concepts et de relations entre concepts. Nous pensons au contraire que des descriptions sémantiques des capteurs/actuateurs sont nécessaires au design et à la mise en œuvre de mécanismes efficaces d’inférence, de fusion et de composition de données. Cette ontologie sémantique permettra de masquer l’hétérogénéité des données collectées et facilitera leur fusion et leur composition au sein d’un environnement de gestion de capteur similaire à celui d’une architecture ouverte orientée services. La première partie des travaux de cette thèse porte donc sur la conception et la validation d’une ontologie sémantique légère, extensible et générique de description des données fournies par un capteur/actuateur. Cette description ontologique de données brutes devra être conçue : • d’une manière extensible et légère afin d’être applicable à des équipements embarqués hétérogènes, • comme sous élément d’une ontologie de plus haut niveau (upper level ontology) utilisée pour modéliser les capteurs et actuateurs (en tant qu’équipements et non plus de données fournies), ainsi que les informations mesurées (information veut dire ici donnée de plus haut niveau issue du traitement et de la fusion des données brutes). La seconde partie des travaux de cette thèse portera sur la spécification et la qualification : • d’une architecture générique orientée service (SOA) permettant la découverte et la gestion d’un capteur/actuateur, et des données qu’il fournit (incluant leurs agrégation et fusion en s’appuyant sur les mécanismes de composition de services de l’architecture SOA), à l’identique d’un service composite de plus haut niveau, • d’un mécanisme amélioré de collecte de données à grande échelle, au dessus de cette ontologie descriptive. L’objectif des travaux de la thèse est de fournir des facilitateurs permettant une mise en œuvre de mécanismes efficaces de collecte, de fusion et d’agrégation de données, et par extension de prise de décisions. L’ontologie de haut niveau proposée sera quant à elle pourvue de tous les attributs permettant une représentation, une gestion et une composition des ‘capteurs, actuateurs et objets’ basées sur des architectures orientées services (Service Oriented Architecture ou SOA). Cette ontologie devrait aussi permettre la prise en compte de l’information transporter (sémantique) dans les mécanismes de routage (i.e. routage basé information). Les aspects liés à l’optimisation et à la modélisation constitueront aussi une des composantes fortes de cette thèse. Les problématiques à résoudre pourraient être notamment : • La proposition du langage de description le mieux adapté (compromis entre richesse, complexité et flexibilité), • La définition de la structure optimum de l’architecture de découverte et de gestion d’un capteur/actuateur, • L’identification d’une solution optimum au problème de la collecte à grande échelle des données de capteurs/actuateurs / The constant evolution of technology in terms of inexpensive and embedded wireless interfaces and powerful chipsets has leads to the massive usage and development of wireless sensor networks (WSNs). This potentially affects all aspects of our lives ranging from home automation (e.g. Smart Buildings), passing through e-Health applications, environmental observations and broadcasting, food sustainability, energy management and Smart Grids, military services to many other applications. WSNs are formed of an increasing number of sensor/actuator/relay/sink devices, generally self-organized in clusters and domain dedicated, that are provided by an increasing number of manufacturers, which leads to interoperability problems (e.g., heterogeneous interfaces and/or grounding, heterogeneous descriptions, profiles, models …). Moreover, these networks are generally implemented as vertical solutions not able to interoperate with each other. The data provided by these WSNs are also very heterogeneous because they are coming from sensing nodes with various abilities (e.g., different sensing ranges, formats, coding schemes …). To tackle this heterogeneity and interoperability problems, these WSNs’ nodes, as well as the data sensed and/or transmitted, need to be consistently and formally represented and managed through suitable abstraction techniques and generic information models. Therefore, an explicit semantic to every terminology should be assigned and an open data model dedicated for WSNs should be introduced. SensorML, proposed by OGC in 2010, has been considered an essential step toward data modeling specification in WSNs. Nevertheless, it is based on XML schema only permitting basic hierarchical description of the data, hence neglecting any semantic representation. Furthermore, most of the researches that have used semantic techniques for developing their data models are only focused on modeling merely sensors and actuators (this is e.g. the case of SSN-XG). Other researches dealt with data provided by WSNs, but without modelling the data type, quality and states (like e.g. OntoSensor). That is why the main aim of this thesis is to specify and formalize an open data model for WSNs in order to mask the aforementioned heterogeneity and interoperability between different systems and applications. This model will also facilitate the data fusion and aggregation through an open management architecture like environment as, for example, a service oriented one. This thesis can thus be split into two main objectives: 1)To formalize a semantic open data model for generically describing a WSN, sensors/actuators and their corresponding data. This model should be light enough to respect the low power and thus low energy limitation of such network, generic for enabling the description of the wide variety of WSNs, and extensible in a way that it can be modified and adapted based on the application. 2)To propose an upper service model and standardized enablers for enhancing sensor/actuator discovery, data fusion, data aggregation and WSN control and management. These service layer enablers will be used for improving the data collection in a large scale network and will facilitate the implementation of more efficient routing protocols, as well as decision making mechanisms in WSNs

Dans le cadre de cette thèse, on se proposait de développer de nouveaux mécanismes de radiolocalisation, permettant de positionner les nœuds de réseaux corporels sans-fil (WBAN) mobiles, en exploitant de manière opportuniste des liens radio coopératifs bas débit à l'échelle d'un même corps (i.e. coopération intra-WBAN), entre réseaux distincts (i.e. coopération inter-WBAN), et/ou vis-à-vis de l'infrastructure environnante. Ces nouvelles fonctions coopératives présentent un intérêt pour des applications telles que la navigation de groupe ou la capture de mouvement à large échelle. Ce sujet d'étude, par essence multidisciplinaire, a permis d'aborder des questions de recherche variées, humine-biomécanique et de ayant trait à la modélisation physique (e.g. modélisation spatio-temporelle des métriques de radiolocalisation en situation de mobilité, modélisation de la mobilité groupe...), au développement d'algorithmes adaptés aux observables disponibles (e.g. algorithmes de positionnement coopératifs et distribués, sélection et ordonnancement des liens/mesures entre les nœuds...), aux mécanismes d'accès et de mise en réseau (i.e. en support aux mesures coopératives et au positionnement itératif). Les bénéfices et les limites de certaines de ces fonctions ont été en partie éprouvés expérimentalement, au moyen de plateformes radio réelles. Les différents développements réalisés tenaient compte, autant que possible, des contraintes liées aux standards de communication WBAN émergeants (e.g. Impulse Radio - Ultra Wideband (IR-UWB) IEEE 802.15.6), par exemple en termes de bande fréquentielle ou de taux d'erreur.

This paper presents a scheduling algorithm for point to point wireless power transfer system (WPTS) to sensor nodes of wireless body area networks (WBAN). Since the sensors of wireless body area networks are continuously monitoring and sending data to remote central unit, power crisis for these sensor nodes degrades the data transfer of patient monitoring system. Although energy harvesting from ambient sources using electromagnetic induction enhances the longevity of sensor performance, continuous operation in the primary side decreases the overall efficiency. With such paradigm in sight, a framework is proposed for increasing the primary battery longevity and reducing the transmission loss, inductive power is transmitted from primary to secondary unit using medium access control (MAC) protocols for underlying the centralized scheduling opportunity in a collision free scheme for channel access of rare yet critical emergency situation. In a preliminary study, the proposed scheduling for charging sensor nodes in a wireless body area network (WBAN) is evaluated in a case consideration.

Wireless Body Area Network (WBAN) facilitates efficient and cost-effective e-health care and well-being applications. The WBAN has unique challenges and features compared to other Wireless Sensor Networks (WSN). In addition to battery power consumption, the vulnerability and the unpredicted channel behavior of the Medium Access Control (MAC) layer make channel access a serious problem. MAC protocols based on Time Division Multiple Access (TDMA) can improve the reliability and efficiency of WBAN. However, conventional static TDMA techniques adopted by IEEE 802.15.4 and IEEE 802.15.6 do not sufficiently consider the channel status or the buffer requirements of the nodes within heterogeneous contexts. Although there are some solutions that have been proposed to alleviate the effect of the deep fade in WBAN channel by adopting dynamic slot allocation, these solutions still suffer from some reliability and energy efficiency issues and they do not avoid channel deep fading. This thesis presents novel and generic TDMA based techniques to improve WBAN reliability and energy efficiency. The proposed techniques synchronise nodes adaptively whilst tackling their channel and buffer status in normal and emergency contexts. Extensive simulation experiments using various traffic rates and time slot lengths demonstrate that the proposed techniques improve the reliability and the energy efficiency compared to the de-facto standards of WBAN, i.e. the IEEE 802.15.4 and the IEEE 802.15.6. In normal situations, the proposed techniques reduce packet loss up to 61% and 68% compared to the IEEE 802.15.4 and IEEE 802.15.6 respectively. They also reduce energy consumption up to 7.3%. In emergencies, however, the proposed techniques reduce packets loss up to 63.4% and 90% with respect to their counterparts in IEEE 802.15.4 and 802.15.6. The achieved results confirm the significant enhancements made by the developed scheduling techniques to promote the reliability and energy efficiency of WBAN, opening up promising doors towards new horizons and applications.

Nowadays, each user or organization is already connected to a large number of sensor nodes which generate a substantial amount of data, making their management not an obvious issue. In addition, these data can be confidential. For these reasons, developing a secure system managing the data from heterogeneous sensor nodes is a real need. In the first part, we developed a composite-based middleware for wireless sensor networks to communicate with the physical sensors for storing, processing, indexing, analyzing and generating alerts on those sensors data. Each composite is connected to a physical node or used to aggregate data from different composites. Each physical node communicating with the middleware is setup as a composite. The middleware has been used in the context of the European project Mobesens in order to manage data from a sensor network for monitoring water quality. In the second part of the thesis, we proposed a new hybrid authentication and key establishment scheme between senor nodes (SN), gateways (MN) and the middleware (SS). It is based on two protocols. The first protocol intent is the mutual authentication between SS and MN, on providing an asymmetric pair of keys for MN, and on establishing a pairwise key between them. The second protocol aims at authenticating them, and establishing a group key and pairwise keys between SN and the two others. The middleware has been generalized in the third part in order to provide a private space for multi-organization or -user to manage his sensors data using cloud computing. Next, we expanded the composite with gadgets to share securely sensor data in order to provide a secure social sensor network