Dans cette thèse, nous nous intéressons à deux types d’architectures dans les réseaux véhiculaires : les réseaux à infrastructure et les réseaux sans infrastructure. L’objectif de ce travail est de définir des solutions améliorant la connectivité des passagers des véhicules dans des environnements à densité variable en points d’accès. Pour ceci, dans un premier temps, nous nous intéressons aux algorithmes de guidage routier (dont l’objet est de guider un véhicule d’un point de départ vers un point d’arrivée) en prenant en compte les emplacements des points d’accès le long des routes. Notre première contribution est de définir un algorithme de guidage qui offre une connectivité supérieure au chemin par défaut (en général le plus court chemin) tout en maintenant une distance parcourue raisonnable pour les passagers du véhicule. Nous nous intéressons également à la minimisation du nombre de handovers afin d’améliorer la qualité de service du réseau. Nous avons évalué notre algorithme en termes de distance couverte et du nombre de handovers, tout en s’assurant de garder une distance totale parcourue raisonnable. Nous avons étudié dans un deuxième temps l’impact du choix de l’algorithme du guidage routier sur les performances de la couche réseau, où nous avons pris en compte deux types de protocoles de routage de données : réactif et proactif. Ensuite, nous avons étudié une problématique récurrente dans les réseaux véhiculaires qui est le routage des données de véhicule à véhicule. Ceci est particulièrement utile en absence d’une infrastructure disponible sur la route. Nous proposons une solution inter-couches («cross-layer») qui tire profit des caractéristiques des réseaux sans fil pour offrir un protocole de routage multi-sauts. Contrairement à la plupart des propositions de protocoles de routage, notre solution ne requiert pas un échange de messages de signalisation entre les voisins, ce qui améliore les performances du réseau en termes de charge utile et efficacité, surtout pour un réseau à forte mobilité comme c’est le cas pour des réseaux véhiculaires où les voisins changent d’une seconde à une autre, rendant problématique la mise à jour des informations de chaque nœud mobile sur son entourage / In this thesis, we focus on two types of architectures in vehicular networks: infrastructure networks and networks without infrastructure. The goal of this work is to define solutions to improve connectivity for passengers of vehicles in environments with variable density of access points. For this, we start by studying route guidance systems (whose purpose is to guide a vehicle from a starting point to a destination point), taking into account the locations of access points along roads. Our first contribution is to define a route guidance algorithm that offers superior connectivity compared to the default path (usually the shortest path) while maintaining a reasonable distance for passengers. We dealt also another issue which consists in minimizing the number of handovers to improve the quality of network service. We evaluated our algorithm in terms of covered distance and the number of handovers, while making sure to keep a reasonable traveled distance. After that, we studied the impact of the choice of route guidance algorithm in the performance of the network layer, where we took into account two types of routing protocols data: reactive and proactive. Next, we studied a recurrent problem in vehicular networks which is routing data from vehicle to vehicle. This is particularly useful in the absence of available infrastructure on the road. We propose a cross-layer architecture that takes advantage of the characteristics of wireless networks to design a multi-hops routing protocol. Unlike most proposals for routing protocols, our solution does not require an exchange of signaling messages between neighbors, and so improves network performance in terms of overhead and efficiency, especially for networks with high mobility such as vehicular networks, where neighbors change frequently, making it difficult to update information from each mobile node on its surroundings

Structural Health Monitoring (SHM) of automobile tires has been an active area of research in the last few years. Within this area, the monitoring of strain on tires using wireless devices and networks is gaining prominence because these techniques do not require any wired connections. Various tire manufacturers are looking into SHM of automobile tires due to the Transportation Recall Enhancement, Accountability and Documentation (TREAD) act which demands installation of tire pressure monitoring devices within the tire. Besides measuring tire pressures, tire manufactures are also examining ways to measure strain and temperature as well to enhance overall safety of an automobile. A sensor system that can measure the overall strain of a tire is known as a centralized strain sensing system. However, a centralized strain sensing system cannot find the location and severity of the damage on the tire, which is a basic requirement. Various sensors such as acceleration and optical sensors have also been proposed to be used together to get more local damage information on the tire. In this thesis we have developed a strain sensing system that performs local strain measurements on the tire and transmits them to a console inside the vehicle wirelessly. Our sensing system utilizes a new sensing material called Metal RubberTM which is shown to be conductive like metal, and flexible as rubber. Also, we have also developed a reliable and an energy efficient geographic routing protocol for transporting strain data wirelessly from a tire surface to the driver of the automobile. / Master of Science

La surveillance étroite d’un grand équipement physique mobile sur une trajectoire unique connue est susceptible d’avoir des applications concrètes importantes pour la sécurité des utilisateurs et de l’équipement lui-même, pour sa maintenance et pour l’optimisation du service rendu. Cette surveillance nécessite d’instrumenter l’équipement. Cette instrumentation à l’aide d’un réseau de capteurs pris sur étagère constitue l’application de l’étude menée dans cette thèse. Les problématiques de recherche concernent trois domaines : la topologie des réseaux de capteurs mobiles, le routage et la localisation. Elles sont situées par rapport à l’état de l’art. Puis une étude approfondie de l’architecture du réseau pour sur un système physique parcourant une trajectoire circulaire a été menée. La grande roue de Singapour (Singapore Flyer) est utilisée comme système type. Deux sortes de topologie ont été étudiées : une dans laquelle la liaison système mobile – partie fixe au sol est située au niveau du ou des capteurs, l’autre pour laquelle la liaison système mobile - partie fixe au sol est située au niveau du puits. Les meilleurs placements des relais ont été proposés ainsi que des algorithmes de routage géographique adaptés à chaque cas. Les performances du réseau sont mesurées par simulation. Elles montrent un bon fonctionnement pour des phénomènes dynamiques assez rapides et permettent de comparer les architectures entre-elles. Enfin une expérimentation de localisation des nœuds à base de RSSI a été menée sur un site industriel / The close supervision of a large physical equipment moving on a single known trajectory is likely to have important practical applications for the safety of users and the equipment itself, for maintenance and optimization of the provided service. This requires deploying monitoring instruments on equipment. This instrumentation using a sensor network taken off the shelf is the application of the study conducted in this thesis. The research problems address three areas: the topology of mobile sensor networks, routing and localization. They are situated in relation to the state of the art. Then a detailed study of the network architecture for a physical system moving on a circular path was conducted. Giant observation wheel of Singapore (Singapore Flyer) is used as a type system. Two kinds of topology were considered: one in which the connection mobile system - fixed part at the ground is located at sensor interface, one for which the link mobile system - fixed part at the ground is located at sink interface. The best placements of the relays have been proposed as well as geographic routing algorithms adapted to each case. The network performance is measured by simulation. The results show a correct working for fairly rapid dynamic phenomena and allow to compare architectures with each other. Finally an experiment of node localization based on RSSI was conducted on an industrial site

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Smart grids and smart utility networks are the next-generation utility networks that intend to provide efficient control and management of utilities such as electricity, natural gas, water and sewage. Communication technology is the essential element for enabling formation of networks where control messages and metering data can be exchanged. In this work it is shown that wireless sensor and actuator networks are suitable candidates to implement this intelligent networks. The main routing algorithms for this category of wireless network are investigated in order to verify its performance when applied to the characteristics of smart utility networks, which are mainly related for large scale networks formed by hundreds to thousands of devices. It is shown that geographic routing is one of the most suitable routing strategies for large scale wireless networks, due to its low overhead and high scalability features. Usually, a geographic routing scheme combines a geographic greedy forwarding with a recovery mechanism to solve the local minima problem. Solutions proposed in the literature commonly combine greedy forwarding with the well known face routing for achieving this goal. However, the average path length in number of hops produced by face routing could be much worse than the optimal topological path in most realistic scenarios. In this work, it is proposed a new intermediate procedure between the geographic greedy mode and the recovery mode in order to improve routing efficiency in number of hops, without network overhead. It exploits the optimal topological route to base stations, obtained by beacon messages, as a resource to find better routes than the ones created by face routing. It is shown by simulations that the proposed hybrid approach leads to a significant improvement of routing performance when applied to combined greedy-face routing algorithms. Furthermore, experimental results obtained through testbeds shown that the proposed maintenance procedures are capable of avoid uctuations in the network infrastructure, providing robust routes for packet forwarding in large scale networks. / Smart grids e redes urbanas de comunicação formam a próxima geração de redes que pretende fornecer controle e gestão é eficiente aos servicos publicos como eletricidade, gás natural, água e esgoto. A tecnologia de comunicação é o elemento essencial para permitir a formação de redes em que mensagens de controle e dados de medição possam ser transmitidos. Neste trabalho demonstra-se que as redes de sensores e atuadores sem fio são candidatas viáveis e adequadas para implementar estas redes. Os principais algoritmos de roteamento para esta categoria de rede sem fios são investigados, a fim de verificar o seu desempenho quando aplicados às características das redes urbanas de comunicação, que geralmente são redes de grande escala formadas por centenas a milhares de dispositivos. Ainda, demostra-se que o roteamento geográfico �e uma das estratégias mais adequadas de roteamento para redes sem fio de grande escala, devido às suas características de baixa sobrecarga e alta escalabilidade. Estes algoritmos geralmente combinam um encaminhamento geográfico greedy com um mecanismo de recuperação para solucionar o problema dos mínimos locais, sendo o roteamento por faces a solução mais empregada na literatura como método de recuperação. No entanto, o número médio de saltos nos caminhos produzidos pelo roteamento por faces pode ser muito maior do que o caminho topológico ótimo na maioria dos cenários reais. Neste trabalho propõe-se um procedimento intermediário entre o encaminhamento geográfico greedy e o modo de recuperação, a fim de melhorar a eficiência em número de saltos sem gerar sobrecarga de mensagens de controle. Este procedimento explora as rotas topológicas ótimas para as estações base como um recurso adicional para encontrar rotas melhores para outros nós do que as geradas pelo roteamento por faces. Demonstra-se ainda através de simulações que a abordagem híbrida proposta melhora significativamente o desempenho do encaminhamento de pacotes quando aplicada a algoritmos greedy combinados com roteamento por faces. Ademais, os resultados experimentais obtidos através da planta teste comprovam que os procedimentos de manutenção propostos são capazes de evitar flutuações na infra-estrutura de rede, oferecendo rotas robustas para o encaminhamento de pacotes em redes de grande escala.

Les Réseaux de Capteurs Sans Fil (RCSFs) constituent une classe particulière des réseaux Ad hoc, faisant l'objet de recherches intensives. Ils sont considérés comme un outil très puissant pour connecter le monde physique et le monde numérique. Ils se composent d'un grand nombre de noeuds capteurs dotés de ressources limitées en termes d'énergie, de portée de capture et de communication, de vitesse de traitement et de capacité de stockage. Ils sont déployés dans un environnement intérieur ou extérieur, et ce dans de nombreux domaines d'application tels que l'armée, l'environnement, la santé, la maison et l'agriculture. La rareté des ressources des noeuds capteurs et la non fiabilité des liaisons sans fil motivent la plupart des problématiques dans le domaine des RCSFs, à savoir l'énergie, la couverture, la connectivité, le routage, la tolérance aux pannes et la sécurité. L'objectif de cette thèse est de proposer un protocole de surveillance inter-couches, à efficacité énergétique et fiable, pour la surveillance des zones sensibles clôturées, tel qu'un site pétrolier ou nucléaire, utilisant les réseaux de capteurs sans fil avec un cycle d'activité, et avec prise en compte des liens asymétriques dus au phénomène de l'irrégularité de la radio. Initialement, le protocole proposé identifie les noeuds de bordure du RCSF pour les utiliser comme nœuds sentinelles, c.-à-d., des noeuds qui sont toujours dans un état actif. Les noeuds restants sont utilisés en tant que noeuds relais avec un cycle d'activité, pendant la phase de routage des alertes vers le noeud puits. Le processus d'identification des noeuds de bordure ainsi que le routage des alertes, sont assurés par le protocole Greedy Perimeter Stateless Routing through Symmetrical Links (GPSR-SL) qui est une version améliorée du protocole GPSR, reposant sur un graphe de connectivité représenté sous forme de disques non-unité (N-UDG). Le protocole de surveillance inter-couches proposé a été implémenté et ses performances ont été évaluées en utilisant l'environnement de simulation OMNeT++/Castalia. Les résultats de performance montrent que ce protocole permet d'obtenir un ratio de livraison de paquets plus élevé d'environ 3.63%, une efficacité énergétique et une latence satisfaisante par rapport au même protocole basé sur le GPSR original. / Wireless Sensor Networks (WSNs) are a special class of Ad hoc networks, which are under intensive research.They are considered as a very powerful tool to connect the physical and the digital worlds. They consist of a largenumber of sensor nodes that are characterized with limited resources in terms of energy, range of sensing and communication, processing speed and storage capacity.They are deployed in an indoor or outdoor environment in many application domains such as army, environment, health, home and agriculture. The scarcity of sensor node resources and the unreliability of wireless links drive most of the research issues in the field of WSNs, namely energy, coverage, connectivity, routing, fault tolerance and security. The aim of this thesis is to propose an energyefficient and reliable cross-layer surveillance protocol for sensitive fenced areas, such as oil or nuclear sites, using duty-cycled WSNs with asymmetrical links due to the radio irregularity phenomenon. Initially, the proposed protocol identifies the boundary nodes of the deployedWSN, to be used as sentinel nodes, i.e., nodes that are always in an active state. The remaining nodes are usedas duty-cycled relay nodes during the routing phase to relay alerts towards the sink. The boundary nodes identification process and alert routing are both performed using an enhanced version of the Greedy Perimeter Stateless Routing (GPSR) protocol, referred to as GPSR over Symmetrical Links (GPSR-SL) and which relies on a Non Unit Disk Graph (N-UDG). The proposed cross-layer surveillance protocol has been implemented and its performance has been evaluated under the OMNeT++/Castalia simulation environment. Performance results show that this protocol achieves higher Packet Delivery Ratio by up to 3.63%, energy .efficiency and satisfactory latency when compared to the same protocol based on the original GPSR.

Les applications multimédias, dans les réseaux de capteurs sans fil, véhiculent des données volumineuses, qui nécessitent un taux de transmission élevé et un traitement intensif et par conséquent une consommation d'énergie importante. Transmettre efficacement ces flux hétérogènes, tout en assurant leur fiabilité et garantir les exigences de QoS, avec les ressources limitées disponibles, en particulier dans les contextes critiques, demeure un verrou scientifique ouvert. C’est pourquoi, dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés aux aspects liés : au routage, à la tolérance aux pannes et à la gestion des interférences dans les RCMSF.Compte tenu, du très faible nombre de protocoles de routage, qui ont approché la phase expérimentale et encore moins ceux qui l’ont abordé pendant la transmission des données en temps réel, nous avons développé dans ce contexte, un protocole routage géographique baptisé GNMFT (Geographic Non-interfering Multipath Fault-tolerant),En premier lieu, nous avons amélioré le mode de sélection des nœuds, utilisé par le transfert glouton, pour faire face au problème du Minimum-local, où une fonction objective multicritères (distance, énergie et puissance de réception) relative au choix du prochain saut a été définie. Puis, nous avons introduit une phase d’optimisation des chemins construits afin d’éliminer les boucles et une approche adaptative gérant les transmissions simultanées des différents trafics.Par la suite, nous nous sommes orientés vers la tolérance aux pannes, pour assurer la fiabilité des données transmises ainsi que la connectivité du réseau. A cet effet, nous avons modélisé le nombre des paquets perdus durant la livraison des paquets et proposé deux mécanismes : un curatif pour réparer les défaillances soudaines et un préventif afin d’anticiper l’épuisement des batteries. Les deux mécanismes sont combinés avec une stratégie de basculement dynamique lors de la construction des chemins alternatives.En dernier lieu, nous avons présenté un modèle d’interférence et un troisième mécanisme qui limite les interactions entre les liens adjacents. De plus, nous avons défini également un modèle de perte de chemins dans un environnement multi-paires (source,sink) et nous avons calculé le coefficient de probabilité d’erreurs basée sur une fonction de distance qui sépare les flux de données. Une nouvelle métrique a été ajouté dans la fonction objective, relative à la somme des bruits des nœuds actifs qui interférent sur les nœuds du ForwardingSet du nœud courant.Les résultats obtenus montrent l’efficacité des approches proposées qui ont été étudiées et validées à la fois par simulation et sur un banc d’essai expérimental. / Multimedia applications in WSNs convey large data (image, audio and video) that requires high transmission rate and intensive treatment and therefore high energy consumption. Effectively transmit these heterogeneous flows, while ensuring their reliability and guaranteeing QoS requirements, with the limited resources available, especially in critical contexts, remains an open scientific problem. That is why, in this thesis, we are interested in aspects related to : routing, fault tolerance and interference management in WMSNs.Given the very low number of routing protocols, that have approached the experimental phase and still less those who approached it during data transmission in real time, we developed in this context, a geographic routing protocol baptised GNMF (Geographic Non-interfering Multipath Fault-tolerant),First, we improved node's selection mode used by the greedy-forwarding, to deal with local minimum problem, where a multi-criteria objective function (distance, energy and reception power) related to next-hop choice has been defined. Then, we introduced an optimization phase of built paths to eliminate loops and an adaptive approach to manage simultaneous traffic transmissions.After that, we oriented towards fault tolerance, to ensure transmitted data reliability and network connectivity. To this end, we modeled the number of lost packets during package delivery and proposed two mechanisms. The curative is used when sudden failures occurs and the preventive to anticipate batteries depletion. Both are combined with a dynamic failover strategy during alternative paths construction.Finally, we presented an interference model and a third mechanism that limits interactions between adjacent links. In addition, we also defined a path loss model in a multipairs environment (source, sink) and computed the error probability coefficient based on a distance function that separates the data flows. A new metric has been added in the objective function, related to noise sum of the active nodes that interferes on forwarding set nodes of the current node.Obtained results show the effectiveness of the proposed approaches that have been studied and validated both by simulation and on an experimental testbed.

Motivés par la demande croissante de services de santé améliorés et à distance, qui tend à augmenter notamment avec une population de plus en plus âgée, et la réduction du coût de l'utilisation des infrastructures réseaux, afin d'assurer des applications de santé temps-réel et à faible débit de données, les réseaux de capteurs médicaux sans fil (WBANs) forment encore un domaine de recherche en forte croissance, notamment avec le développement de WBANs coopératifs. Dans ce contexte, en utilisant les utilisateurs du réseau eux-mêmes en tant que relais on pourrait étendre les infrastructures réseaux existantes, tout en améliorant la capacité du réseau et optimisant l'utilisation du spectre radio. Ainsi, les opérateurs réseaux, qui planifient déjà pour l'intégration de l'internet des objets (IoT) et l'informatique en nuage (cloud), devraient aussi penser à créer un nouveau type de réseau ad hoc mobile, où les utilisateurs du réseau sont utilisés comme des stations de base ad hoc simplifiées, afin de partager l'information en temps-réel entre des personnes colocalisées portant des capteurs corporels. Ce nouveau type de réseau est appelé réseau corporel sans fil (BBN: Body-to-Body Network). Dans un BBN, un appareil radio, collecte les données des nœuds capteurs attachés ou portés par une personne, et les transmet à un appareil récepteur situé sur une autre personne du voisinage, afin d'être traitées ou retransmises à d'autres utilisateurs du BBN. le BBN peut trouver des applications dans divers domaines tels que la santé, les sports d'équipe, le militaire, les divertissements, ainsi que des expériences passionnantes des réseaux sociaux. Fonctionnant dans la bande Industrielle, Scientifique et Médicale (ISM), les liaisons de communication dans un BBN seront très sensibles aux interférences entre les différentes technologies qui partagent le spectre radio limité. Ainsi, l'interférence entre ces technologies devient une préoccupation importante pour la conception de protocoles pour l'utilisateur final du BBN. À ce jour, très peu d'études existent, qui effectuent une analyse en profondeur de ce type de scénario implicant le corps humain dans des communications radio. Le problème d'interférence dans un tel système distribué, doit être abordé avec des mécanismes distribués, tels que la théorie des jeux. Les décideurs dans le jeu sont soit les WBANs formant le BBN ou les opérateurs de réseaux qui contrôlent les dispositifs de communication inter-WBAN. Ces dispositifs doivent faire face à des ressources de transmission limitées (bande ISM) ce qui donne lieu à des conflits d'intérêts. Cette thèse vise à explorer les opportunités pour permettre des communications inter-WBANs en assurant le partage du spectre radio par le biais de deux approches. D'abord, l'atténuation des interférences mutuelles et croisées, et par la conception d'un protocole de routage spécifique BBN utilisé dans une application de contrôle de l'expansion d'une épidémie dans les zones de rassemblement de masse, tels que les aéroports. Dans un premier volet, une approche basée sur la théorie des jeux est proposée pour résoudre le problème d'interférence distribué dans les BBNs. Le jeu d'atténuation des interférences socialement conscient des intérêts de la collectivité (SIM) a une double tâche: à l'échelle WBAN, il alloue des canaux ZigBee aux capteurs corporels pour la collecte intra-WBAN des données, et à l'échelle BBN, il alloue les canaux WiFi aux appareils mobiles pour la transmission et le relais des données inter-WBANs. Deux algorithmes, BR-SIM et SORT-SIM, ont été développés pour rechercher les points d'équilibre de Nash du jeu SIM. Le premier (BR-SIM) assure les solutions de meilleure réponse (Best-response) tandis que le second (SORT-SIM) tente d'obtenir un compromis entre des solutions quasi-optimales et un temps de convergence réduit. (...) / Motivated by the rising demand for remote and improved healthcare, while decreasing the cost of using network infrastructures to ensure time and data rate-constrained applications, Wireless Body Area Networks (WBANs) still form a strongly growing research field. Besides, engineers and researchers are investigating new solutions to supplement mobile communications through developing opportunities for cooperative WBANs. In this context, using network users themselves as relays could complement and extend existing infrastructure networks, while improving network capacity and promoting radio spectrum usage. Yet, network operators, that are already planning for the Internet of Things (IoT) and cloud computing technologies integration, should also think about this new possibility of creating a new type of mobile ad hoc network, where network users themselves are used as simplified ad hoc base stations, to fulfill the desire of sharing real-time information between colocated persons carrying body sensors. This emerging type of network is called Body-to-Body Network (BBN). In a BBN, a radio device situated on one person gathers the sensor data from the sensor nodes worn by that person, and transmit them to a transceiver situated on another person in the nearby area, in order to be processed or relayed to other BBN users. BBNs can find applications in a range of areas such as healthcare, team sports, military, entertainment, as well as exciting social networking experiences. Operating in the popular Industrial, Scientific and Medical (ISM) band, the communication links in a BBN will be heavily susceptible to interference between the different radio technologies sharing the limited radio spectrum. Thus, inter-body interference become an important concern for protocol design and quality of service for the BBN end user. Yet, higher layer MAC and networking mechanisms need to be in place to overcome this interference problem. To date, very few studies, that perform in-depth analysis of this type of body-centric scenario, exist. The interference problem in such distributed system, should be tackeled with distributed mechanisms, such as Game Theory. The decision makers in the game are either the WBANs/people forming the BBN or the network operators who control the inter-WBAN communicating devices. These devices have to cope with a limited transmission resource (ISM band) that gives rise to a conflict of interests. This thesis aims at exploring the opportunities to enable inter-WBAN communications by ensuring feasible sharing of the radio spectrum through two challenging research issues. First, mutual and cross-technology interference mitigation, and second, the design of a BBN specific routing protocol applied to an epidemic control application within mass gathering areas, such as the airport, as use case in this thesis. In a first phase, a game theoretical approach is proposed to resolve the distributed interference problem in BBNs. The Socially-aware Interference Mitigation (SIM) game performs twofold: at the WBAN stage, it allocates ZigBee channels to body sensors for intra-WBAN data sensing, and at the BBN stage, it allocates WiFi channels to mobile devices for inter-WBAN data transmitting and relaying. Two algorithms, BR-SIM and SORT-SIM, were developed to search for Nash equilibra to the SIM game. The first (BR-SIM) ensures best response solutions while the second (SORT-SIM) attempts to achieve tradeoff between sub-optimal solutions and short convergence time. Then, in order to highlight the social role of BBNs, the second part of this thesis is devoted to propose an epidemic control application tailored to BBNs, in indoor environment. This application implements a geographic routing protocol, that differentiates WBANs traffic and ensures real-time quarantine strategies. (...)