Les travaux de cette thèse s'inscrivent dans le cadre du développement des réseaux de capteurs sans fil pour le domaine aérospatial. Les applications concernées sont la mesure de température et des contraintes mécaniques sur les ailes d'avion en vol d'essai ainsi que sur la structure des satellites. Ces mesures sont effectuées en temps réel et sans perte de données. Nos travaux de recherches se focalisent sur le développement d'une architecture de communication sans fil qui permet de répondre aux besoins des ces applications en terme de faible coût, faible consommation et haut débit. Nous avons développé une architecture à conversion directe avec l'utilisation de deux voies différentielles I et Q. Cette architecture exploite la bande de fréquence UWB 6-8.5 GHz autorisée en Europe. Nous nous sommes concentrés en particulier sur la conception des mélangeurs de fréquence qui demandent une bande passante très importante en valeur relative (10-510 MHz) sur l'entrée de mélangeur rehausseur de fréquence et sur la sortie de mélangeur abaisseur de fréquence. La conception de l'amplificateur faible bruit est moins délicate car son besoin en bande passante relative est moins important. Une nouvelle topologie de mélangeur a été conçue pour répondre au besoin en largeur de bande. Nous avons pris soins à ce que le mélangeur d'émission ait une perte de conversion nulle pour attaquer directement l'antenne sans passer par un amplificateur de puissance et réduire la puissance de contrôle à -3d Bm pour diminuer la consommation de l'oscillateur contrôlé en tension (VCO). De cette manière, la chaine d'émission se réduit à deux mélangeurs I et Q basse consommation. Cette architecture d'émission laisse plus de marge en terme de consommation pour la conception de la chaine de réception. Les différents blocs RF ont été développés en technologie CMOS 130 nm, permettant d'atteindre de bonnes performances avec un coût minimum. Les mesures effectuées valident le fonctionnement des circuits développés.

Dans ce travail nous nous intéressons à la modélisation des couches MAC et PHY dans le cadre des réseaux sans fil à faible, portée. Il présente les techniques de modélisation utilisées pour l'intégration des couches MAC-PHYs (Medium Access Control and Physical layer) de type IR-UWB (Impulse Radio Ultra Wideband) d'une part, et des nouvelles techniques de transmission à 60GHz incluant le beamforming d'autre part, dans le simulateur GloMoSim/QualNet. La modélisation de IR-UWB est basée sur la prise en compte directe des collisions d'impulsions et de l'interférence multi-utilisateur au niveau de la couche PHY par l'introduction du concept de séquences de réception et la notion d'orthogonalité en réception. L'architecture de modélisation proposée est basée sur l'utilisation d'une matrice d'interférence, elle a été développée en deux étapes : une première modélisation basée sur des trains d'impulsions uniformément espacées et une deuxième modélisation plus complète prenant en compte l'utilisation des séquences de sauts aléatoires également appelés séquences de time hopping. L'évaluation de performances de cette partie est basée sur une application typique des réseaux de capteurs dans le cadre d'une application de détection d'intrusion sur une surface protégée. La modélisation à 60 GHz à pour but la prise en compte des nouvelles techniques d'amélioration du débit, notamment l'agrégation et le beamforming. La prise en compte du beamforming est basée sur la définition, des diagrammes de rayonnement des antennes ainsi que de l'interface MAC-PHY/Antenne. La modélisation des deux protocoles de beamforming définis dans le standard 802.15.3c est également effectuée. L'évaluation de performances de cette partie est basée sur un système de distribution de contenu multimédia.

Récepteurs récupérateurs d’énergie sans fil (WPR) détiennent un avenir prometteur pour la génération d'énergie électrique continue afin d’alimenter complètement ou partiellement les circuits compris dans les systèmes de communication sans fil. Applications importantes telles que l'identification par radiofréquence (RFID) et les réseaux de capteurs sans fils (WSN) fonctionnant aux bandes de fréquences UHF et SHF sont apparues, nécessitant un important effort sur la conception de WPRs d’haute efficacité pour étendre la distance de fonctionnement ou de la durée de vie de ces applications portables. Dans ce contexte, les redresseurs intégrés et les antennes sont d'un intérêt particulier, car ils sont responsables pour la tâche de conversion d'énergie. Ce travail de thèse vise à faire progresser l'étatde l'art à travers de la conception et réalisation de WPRs d’haute efficacité, dès l'antenne jusqu’au stockage de la puissance DC convertie, en explorant les défis d’interconnexion avec leur pleine intégration sur PCBs. / Wireless Powered Receivers (WPR) hold a promising future for generating a small amount ofelectrical DC energy to drive full or partial circuits in wirelessly communicating electronic devices.Important applications such as RFIDs and WSNs operating at UHF and SHF bands have emerged,requiring a significant effort on the design of high efficient WPRs to extend the operating range or thelifetime of these portable applications. In this context, integrated rectifiers and antennas are of aparticular interest, since they are responsible for the energy conversion task. This thesis work aims tofurther the state-of-the-art throughout the design and realization of high efficient WPRs from the antennaup to the storage of the converted DC power, exploring the interfacing challenges with their fullyintegration into PCBs.

Dans les maisons et bâtiments intelligents, il devient nécessaire de limiter l'intervention humaine sur le système énergétique, afin de fluctuer automatiquement l'énergie consommée par les appareils consommateurs. Pour cela, un système de mesure de la consommation électrique d'équipements est aussi nécessaire et peut être déployé de deux façons : intrusive ou non-intrusive. La première solution consiste à relever la consommation de chaque appareil, ce qui est inenvisageable à une grande échelle pour des raisons pratiques liées à l'entretien et aux coûts. Donc, la solution non-intrusive (NILM pour Non-Intrusive Load Monitoring), qui est capable d'identifier les différents appareils en se basant sur les signatures extraites d'une consommation globale, est plus prometteuse. Le problème le plus difficile des algorithmes NILM est comment discriminer les appareils qui ont la même caractéristique énergétique. Pour surmonter ce problème, dans cette thèse, nous proposons d'utiliser une information externe pour améliorer la performance des algorithmes existants. Les premières informations additionnelles proposées considèrent l'état précédent de chaque appareil comme la probabilité de transition d'état ou la distance de Hamming entre l'état courant et l'état précédent. Ces informations sont utilisées pour sélectionner l'ensemble le plus approprié des dispositifs actifs parmi toutes les combinaisons possibles. Nous résolvons ce problème de minimisation en norme l1 par un algorithme d'exploration exhaustive. Nous proposons également d'utiliser une autre information externe qui est la probabilité de fonctionnement de chaque appareil fournie par un réseau de capteurs sans fil (WSN pour Wireless Sensor Network) déployé dans le bâtiment. Ce système baptisé SmartSense, est différent de la solution intrusive car seul un sous-ensemble de tous les dispositifs est surveillé par les capteurs, ce qui rend le système moins intrusif. Trois approches sont appliquées dans le système SmartSense. La première approche applique une détection de changements de niveau sur le signal global de puissance consommé et les compare avec ceux existants pour identifier les dispositifs correspondants. La deuxième approche vise à résoudre le problème de minimisation en norme l1 avec les algorithmes heuristiques de composition Paréto-algébrique et de programmation dynamique. Les résultats de simulation montrent que la performance des algorithmes proposés augmente significativement avec la probabilité d'opération des dispositifs surveillés par le WSN. Comme il n'y a qu'un sous-ensemble de tous les appareils qui sont surveillés par les capteurs, ceux qui sont sélectionnés doivent satisfaire quelques critères tels qu'un taux d'utilisation élevé ou des confusions dans les signatures sélectionnées avec celles des autres. / In smart homes, human intervention in the energy system needs to be eliminated as much as possible and an energy management system is required to automatically fluctuate the power consumption of the electrical devices. To design such system, a load monitoring system is necessary to be deployed in two ways: intrusive or non-intrusive. The intrusive approach requires a high deployment cost and too much technical intervention in the power supply. Therefore, the Non-Intrusive Load Monitoring (NILM) approach, in which the operation of a device can be detected based on the features extracted from the aggregate power consumption, is more promising. The difficulty of any NILM algorithm is the ambiguity among the devices with the same power characteristics. To overcome this challenge, in this thesis, we propose to use an external information to improve the performance of the existing NILM algorithms. The first proposed additional features relate to the previous state of each device such as state transition probability or the Hamming distance between the current state and the previous state. They are used to select the most suitable set of operating devices among all possible combinations when solving the l1-norm minimization problem of NILM by a brute force algorithm. Besides, we also propose to use another external feature that is the operating probability of each device provided by an additional Wireless Sensor Network (WSN). Different from the intrusive load monitoring, in this so-called SmartSense system, only a subset of all devices is monitored by the sensors, which makes the system quite less intrusive. Two approaches are applied in the SmartSense system. The first approach applies an edge detector to detect the step-changes on the power signal and then compare with the existing library to identify the corresponding devices. Meanwhile, the second approach tries to solve the l1-norm minimization problem in NILM with a compositional Pareto-algebraic heuristic and dynamic programming algorithms. The simulation results show that the performance of the proposed algorithms is significantly improved with the operating probability of the monitored devices provided by the WSN. Because only part of the devices are monitored, the selected ones must satisfy some criteria including high using rate and more confusions on the selected patterns with the others.

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

Le maintien à domicile des personnes fragiles vivant seules est devenu une préoccupation majeure de santé publique dans nos sociétés modernes. Parmi les différents aspects scientifiques traités dans le domaine de la surveillance à domicile, nous nous intéressons à l’étude et à la proposition d’une solution permettant à des capteurs répartis de communiquer entre eux de façon optimale et adaptée aux contraintes spécifiques de l'application. Plus précisément, nous souhaitons construire un réseau sans fil courte portée constitué de plusieurs nœuds capteurs échangeant entre eux des données selon un protocole de communication de niveau MAC (contrôle d’accès au médium) qui optimise à la fois l’énergie, le délai de transmission et la perte d’informations. Pour cela, nous avons finement analysé les avantages et les limites des technologies WPAN (réseau local personnel sans fil) et des protocoles de communication actuellement utilisés en rapport aux exigences de notre application. Nous avons ensuite proposé une méthode d’accès au médium déterministe, adaptative et économe en énergie basée sur la couche physique IEEE 802.15.4 et une topologie maillée. Elle permet de garantir le délai d'acheminement des messages avec un risque de collisions très fortement limité, grâce à une réutilisation spatiale du médium dans un voisinage à deux sauts. Cette proposition a été caractérisée par modélisation et simulation à l'aide du simulateur de réseau OPNET. Nous avons alors implémenté les mécanismes proposés sur des dispositifs matériels et déployé un réseau de capteurs en situation réelle afin de vérifier la pertinence du modèle et évaluer la proposition selon différentes configurations de test / Monitoring behavior of the elderly and the disabled living alone has become a major public health problem in our modern societies. Among the various scientific aspects involved in the home monitoring field, we are interested in the study and the proposal of a solution allowing distributed sensor nodes to communicate with each other in an optimal way adapted to the specific application constraints. More precisely, we want to build a wireless network which consists of several short range sensor nodes exchanging data between them according to a communication protocol at MAC (medium access control) level that optimizes energy consumption, transmission time and loss of information. To achieve this objective, we have analyzed the advantages and the limitations of WPAN (wireless personal area network) technology and communication protocols currently used in relation to the requirements of our application. We then proposed a deterministic, adaptive and energy saving medium access method based on the IEEE 802.15.4 physical layer and a mesh topology. It ensures the message delivery time with strongly limited collision risk due to the spatial reuse of medium in the two-hop neighborhood. This proposal was characterized by modeling and simulation using the OPNET network simulator. We then implemented the proposed mechanisms on hardware devices and deployed a sensors network in real situation to verify the accuracy of the model and evaluate the proposal according to different test configurations

L’intégration de l’environnement et des systèmes d’information progresse très vite depuis 10 ans. Cette intégration permet de suivre des évolutions naturelles, physiques, sociétales ; de les mesurer, de les comprendre ; quelquefois de les contrôler. On peut assimiler cette intégration à des besoins, tels que les changements climatiques ou les économies de ressources ; mais aussi à des progrès technologiques dans les domaines des systèmes miniatures, des communications sans fil et des capteurs.Dans ce contexte, nous avons d’abord effectué un apprentissage technologique, en réalisant plusieurs petits systèmes et des logiciels applicatifs de bas et de haut niveau. Nous nous sommes attaqués à la partie frontale des chaînes logicielles, celle qui permet de passer des bases de données pour Systèmes d’Information Géographique à l’implantation et l’exploitation de systèmes distribués de capteurs. QuickMap est ainsi un logiciel de navigation multi-services, incluant OpenStreetMap, construit pour le placement des capteurs et la spécification de systèmes de cellules physiques.Sur la plateforme NetGen, nous avons réalisé un simulateur concurrent associant un ou plusieurs mobiles à un ou plusieurs champs de capteurs. Une application est l’étude des interactions entre satellite en orbites basses, réseaux de capteurs lointains et stations de contrôle.Le séquencement par le temps permet d’associer plusieurs activités aériennes et au sol, en bénéficiant de hautes performances.Enfin, les questionnements méthodologiques ont amené à considérer la possibilité de virtualisation, à la fois du capteur, en le recouvrant d’une machine virtuelle, et à la fois du système d’observation distribué, en utilisant la plateforme NetGen.Nous avons maquetté un capteur et son interface radio en termes de processus communicants, en cherchant à réduire la complexité et la diversité de la programmation des petits systèmes matériels.Plusieurs de nos réalisations sont effectives et servent à des projets de recherche actifs.Cette thèse a été réalisée à l’Université de Brest, laboratoire Lab-STICC, grâce à une allocation de la communauté brestoise BMO. / The integration of environment and information systems is progressing quickly since 10 years. This allows to monitor natural, physical or societal evolutions; to capture their logic and sometimes to control their effects. This integration is feasible thanks to many technical and scientific progresses: sensors, wireless communications, system on chips, batteries, distributed systems and geo-localization. The benefits are important for climate change monitoring and resource savings.In this context, we have firstly achieved a learning of technologies and several practical system realizations. We have produced a navigation software (QuickMap) allowing to interface gis databases and tile servers similar to OpenStreetMap, taking care of sensor locations and outputs. QuickMap is also a nice frontend to produce cellular systems oriented to physical simulations.Using the NetGen platform, we have produced a simulation framework allowing to schedule mobile moves with sensor field activities. A case study was leo satellites visiting remote sensor systems, with investigations on two algorithms suitable for data collection and control.Finally we have addressed the question of observation system virtualization by using an high level, process oriented virtual machine (tvm) to control the wireless link, a step forward to make the distributed and local behaviours homogeneous in terms of programming and simulation.Many of our developments are currently involved in active projects.This thesis was funded by a grant of Brest Metropole Oceane (BMO) and was achieved in a wireless research group at University of Brest, Lab-STICC laboratory.

Le maintien à domicile des personnes fragiles vivant seules est devenu une préoccupation majeure de santé publique dans nos sociétés modernes. Parmi les différents aspects scientifiques traités dans le domaine de la surveillance à domicile, nous nous intéressons à l'étude et à la proposition d'une solution permettant à des capteurs répartis de communiquer entre eux de façon optimale et adaptée aux contraintes spécifiques de l'application. Plus précisément, nous souhaitons construire un réseau sans fil courte portée constitué de plusieurs noeuds capteurs échangeant entre eux des données selon un protocole de communication de niveau MAC (contrôle d'accès au médium) qui optimise à la fois l'énergie, le délai de transmission et la perte d'informations. Pour cela, nous avons finement analysé les avantages et les limites des technologies WPAN (réseau local personnel sans fil) et des protocoles de communication actuellement utilisés en rapport aux exigences de notre application. Nous avons ensuite proposé une méthode d'accès au médium déterministe, adaptative et économe en énergie basée sur la couche physique IEEE 802.15.4 et une topologie maillée. Elle permet de garantir le délai d'acheminement des messages avec un risque de collisions très fortement limité, grâce à une réutilisation spatiale du médium dans un voisinage à deux sauts. Cette proposition a été caractérisée par modélisation et simulation à l'aide du simulateur de réseau OPNET. Nous avons alors implémenté les mécanismes proposés sur des dispositifs matériels et déployé un réseau de capteurs en situation réelle afin de vérifier la pertinence du modèle et évaluer la proposition selon différentes configurations de test.

Cette thèse a pour but de modéliser les réseaux de capteurs sans fil à faible débit (WSN) basés sur la technique ultra bande étroite. Ce réseau a déjà été déployée par la société SIGFOX et a déjà démontré sa très grande efficacité pour les applications pour l’Internet des objets (IoTs) grâce à sa capacité de communication point à point efficace en terme de puissance consommée, et de sa connectivité de longue portée. Cette étude donne quelques aperçus sur le passage à l’échelle de la technique de l’UNB pour un réseau multipoint à point pour une liaison montante. L’accès au canal spécifique qui est basé sur l’accès multiple par répartition aléatoire de fréquence et de temps (R-FTDMA) est introduit et analysé. En outre, l’impact de l’interférence due à l’absence de stratégie d’ordonnancement à la couche MAC est étudié et modélisé. Notre modèle simplifié nous permet non seulement de décrire la puissance d’interférence agrégée, mais aussi d’évaluer les performances du système d’un tel réseau en matière de taux d’erreur et de probabilité de coupure. De même, la géométrie stochastique est utilisée pour modéliser la distribution spatiale des noeuds afin d’étendre le modèle simplifié dans le canal réaliste où les dégradations de canal sont prises en compte. De plus, le mécanisme de retransmission est considéré pour ce réseau. Cette étude permet de d’identifier le nombre optimal de retransmissions. Le réseau peut être configuré avec un paramètre global unique. Et enfin, cette thèse met en évidence le fait que le réseau de l’UNB Random-FTDMA est très pertinent dans un réseau réaliste, en particulier pour les applications à faible débit, car il allége le coût élevé du réseau, le coût de la synchronisation globale, mais sans perte de performance. / This thesis aims at modeling the low-throughput wireless sensor networks (WSNs) based on ultra-narrow-band technology. Such wireless network is already been deployed by Sigfox company and has proved to be ultra-efficient for the Internet of things (IoTs) applications thanks to its ability of point-to-point communication in terms of power efficiency and long range connectivity. In particular, this thesis gives some insights on the scalability of UNB technology for a multi-point-to-point network in an uplink scenario. The multiple access schemes based on random time and frequency selection are introduced and analyzed. Furthermore, the interference impact due to the lack of scheduling strategy at the MAC layer is studied and modeled. Our simplified model using rectangular function allows us not only to describe the aggregate interference power but also evaluate the system performance of such network in terms of the bit-error-rate and outage probability. Besides, the geometry stochastic is used for spatial node distribution in order to extend the simplified model in the realistic channel communication where the channel impairments are taken into account. Besides, the retransmission mechanism is considered for such network. This study argues an optimal number of retransmission. The network can be configured with a unique global parameter. Last but not least, this thesis highlights the fact that the UNB network using Random-FTDMA schemes is very relevant in a realistic network, especially for low-throughput applications, because it bypasses the high network cost, the cost of global synchronization but without loss of performance.