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.

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.

La surveillance d'entrepôts de produits chimiques est une opération délicate dans le sens où elle passe par une connaissance de la nature de chaque produit stocké, sur leur localisation, sur leur possible interaction et sur les actions à mettre en œuvre en cas d'alerte. Pour faciliter cette gestion de stockage, cette thèse propose d'utiliser le concept de l'ambiant où le produit possède son propre système d'information et de communication sans fil de façon à le rendre intelligent et autonome. Cette thèse propose et développe un modèle de comportement interne de produit actif permettant une approche distribuée de sécurité active. Celui-ci permet d'aboutir à un protocole de communication de niveau applicatif à embarquer dans les produits actifs. Ce protocole est évalué de façon formelle en utilisant les Réseaux de Petri colorés hiérarchiques. Finalement, ce protocole est implémenté dans le simulateur Castalia/Omnet++ pour l'analyser dans plusieurs scénarii et aussi pour l'éprouver lors du passage à l'échelle. Les résultats montrent l'intérêt et la faisabilité du concept de produit actif.

La surveillance d'entrepôts de produits chimiques est une opération délicate dans le sens où elle passe par une connaissance de la nature de chaque produit stocké, sur leur localisation, sur leur possible interaction et sur les actions à mettre en œuvre en cas d'alerte. Pour faciliter cette gestion de stockage, cette thèse propose d'utiliser le concept de l'ambiant où le produit possède son propre système d'information et de communication sans fil de façon à le rendre intelligent et autonome. Cette thèse propose et développe un modèle de comportement interne de produit actif permettant une approche distribuée de sécurité active. Celui-ci permet d'aboutir à un protocole de communication de niveau applicatif à embarquer dans les produits actifs. Ce protocole est évalué de façon formelle en utilisant les Réseaux de Petri colorés hiérarchiques. Finalement, ce protocole est implémenté dans le simulateur Castalia/Omnet++ pour l'analyser dans plusieurs scénarii et aussi pour l'éprouver lors du passage à l'échelle. Les résultats montrent l'intérêt et la faisabilité du concept de produit actif.

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.

Les réseaux de capteurs sans l (RCSF) sont des systèmes embarqués, autonomes, auto-con gurables, auto-organisables et déployés dans diverses applications de contrôle et de sécurité. Dans leur architecture, les batteries de ces capteurs ne peuvent en aucun cas être remplacées ou chargées. Pour cela, il faut penser à réduire l'énergie consommée lors de la capture, du traitement et de la transmission de données. Devant la diversité des problèmes qui se posent dans les RCSF, le challenge de la consommation de l'énergie est toujours abordé dans divers travaux de recherche en vue d'optimiser la consommation d'énergie et de maximiser la durée de vie du réseau. A cet effet, nous avons évoqué l'axe des technologies et standards implémentés dans ces capteurs, en vue de révéler leurs impacts sur la consommation d'énergie. Ensuite, nous avons soulevé les techniques de localisation affectant à leur tour cette énergie, notamment lors de l'utilisation de GPS (Global Positioning System), considéré comme solution gourmande en énergie. Le volet de sécurité a été abordé, vu qu'il se base sur la technique de la cryptographie et ôte pour la gestion des clefs pour assurer la communication entre les noeuds du réseau. Cette technique est connue par son traitement aggravé épuisant davantage l'énergie du capteur, devant la coexistence d'une multitude d'attaques qui visent la mort prématurée du réseau. Au niveau routage, la problématique d'énergie perdue lors de l'utilisation des mécanismes de découverte de routes, ouvre un champ très fertile, que nous avons attaqué, pour la conception d'algorithmes optimisés et protocoles de routage qui économisent mieux l'énergie de diffusion des messages RREQ (Route REQuest). Notre but principal dans cette thèse, est de répondre à l'ensemble de ces dé s en agissant sur les fonctionnalités d'un capteur, notamment celle de localisation, de sécurité, de routage ainsi que celle qui concerne la technologie adoptée pour assurer la communication. Des applications ont été envisagées pour mettre en place ces fonctionnalités en l'occurrence le transport, la santé, la domotique, l'industrie et le maritime. C'est ainsi que nous présentons des travaux qui favorisent une meilleure con figuration de ces fonctionnalités, tout en octroyant plus d'intérêt à des solutions qui optimisent de plus en plus la consommation de l'énergie de la batterie des capteurs, pour leur permettre une longue longévité et de pro ter pleinement de leurs avantages.

Les réseaux de capteurs sont composés d'une multitude de petits composants capables de recueillir des informations concernant leur environnement. Ces equipements sont à même de communiquer entre eux afin de s'organiser pour former un réseau. L'utilisation d'un réseau de capteurs permet de remplir de nombreuses tâches comme les services d'aide aux personnes âgées ou la surveillance des paramètres de santé de patients hospitalisés ou, dans un cadre plus large, nécessitant un suivi médical régulier. Les données collectées peuvent être d'ordre physiologiques ou environnementales. Cette opération s'ajoute aux visites d'un personnel soignant, pour effectuer un complément de suivi plus régulier et à long terme, en particulier pour des patients évoluant dans un contexte peu ou non médicalisé. Notre objectif est donc ici de fournir des solutions économes en énergies et fiables pour permettre aux capteurs de s'adapter automatiquement et dynamiquement à leur environnement.

Les réseaux de capteurs sans fil (WSN) ont attiré un grand intérêt dans la dernière décennie, et ont apporté des solutions dans un nombre croissant d'applications. Toutefois, certaines d'entre elles restent irréalisables en raison de forts points de blocage non résolus, comme un manque de synchronisation entre les prises de mesures, ainsi que des débits de données trop faibles. Ce travail apporte une solution à ces deux points majeurs via la conception d'un noeud communicant sans fil spécifique. Celle ci, basée sur la conception croisée, utilise les propriétés temporelles des modulations UltraLarge Bande (UWB) pour permettre une synchronisation très précise ainsi qu'un débit de données élevé. Notre démonstrateur ASIC basé sur ces travaux permet une précision de synchronisation de 2 ns pour une modulation IR-UWB sur une bande passante de 1,5 GHz. Cette thèse décrit le protocole de synchronisation WiDeCS et la conception de deux preuves de concept fonctionnelles sur FPGA et ASIC.

Les réseaux de communication inter-machines font partie des grandes évolutions de l'informatique contemporaine. Ces réseaux évolutifs promettent une nouvelle gamme de services et une meilleure connaissance du monde qui nous entoure. Pourtant, ils subissent plusieurs limitations de par la nature même des nœuds qui les composent : un débit faible et une fiabilité réduite dues aux contraintes en termes de capacité de calcul et de mémoire, une durée de vie limitée, ainsi que des délais non bornés souvent causés par des taux de perte élevés. Ces mêmes problématiques constituent, depuis une quinzaine d'années, un frein au déploiement à large échelle des réseaux de capteurs dans le monde réel. De récents développements dans la théorie de l'information sont finalement en train de bouleverser l'ordre établi, donnant naissance à une nouvelle approche connue sous le nom de théorie du codage réseau. Cette nouvelle façon d'acheminer l'information transforme les méthodes d'exploitation, de gestion et même la compréhension des réseaux de communications actuels et futurs. C'est dans ce contexte, que nous proposons dans cette thèse d'étudier l'impact, les bénéfices et la faisabilité du codage réseau dans les réseaux de capteurs sans fil. L'objectif étant de montrer l'intérêt d'exploiter ses concepts pour les différents paradigmes propres aux réseaux inter-machines en général, et aux réseaux de capteurs en particulier. Il s'agit dans un premier temps d'évaluer les apports prospectifs du codage réseau, qu'il soit linéaire ou opportuniste, strictement en termes de performances (i.e., latence et débit). Dans une seconde partie, nous poursuivrons notre étude en traitant de l'impact du codage réseau sur la fiabilité des réseaux de capteurs, ces derniers étant caractérisés par l'absence de mécanismes de contrôle de flux de bout-en-bout. Dans une dernière contribution, nous explorons la faisabilité dans une plateforme réelle, d'un mécanisme de codage réseau contraint spécifiquement conçu pour les réseaux à faible débit. Ce code opportuniste, est centré sur l'optimisation mémoire et l'efficacité énergétique. Il permet à la fois, d'améliorer les performances du réseau mais aussi sa fiabilité. De manière plus générale, cette thèse se présente comme une réponse à la question : " Quel type de codage, pour quels réseaux de capteurs ? " Elle ne prétend pas être l'unique réponse, mais propose néanmoins des briques théoriques et technologiques qui illustrent à la fois, la faisabilité du codage réseau dans les réseaux contraints, mais aussi la nécessité de l'adapter à leurs critères

La gestion de la consommation énergétique est une question incontournable lors la conception et la mise en œuvre d’un RCSF. Garantir un fonctionnement efficace avec un accroissement de la longévité du réseau en se limitant uniquement à une solution matérielle reste insuffisant. Il est donc nécessaire de se tourner vers d’autres solutions logicielles qui permettraient de maitriser l’exploitation de l’information dès sa source jusqu’à son acheminement vers sa destination finale en tenant compte des caractéristiques intrinsèques des capteurs, i.e., faibles capacités de stockage et de puissance de calcul, et contraintes énergétiques associées. Répondre en partie à ces besoins, passe par le développement d’outils informatiques et de stratégies protocolaires en modes basse consommation mettant en œuvre des mécanismes basés sur des techniques de routage d’informations. Dans cette thèse, nous proposons deux solutions protocolaires hiérarchisées HHRP et HRP-DCM. La première met en œuvre un mécanisme de routage adaptatif à base d’un modèle énergétique non linéaire et d’un concept de communication Fils-Parent pour la sélection des meilleurs chemins en tenant compte d’un ensemble de paramètres critiques tels que les distances source-cible, la puissance du signal et l’énergie consommée. Or, la phase de reconnaissance du voisinage nécessite l’utilisation de la puissance des signaux radio pour estimer les distances entre nœuds capteurs, ce qui est un inconvénient majeur puisque cela peut engendrer des dégradations sur les performances du routage et des erreurs d’estimation des mesures RSSI. Ces dernières ne sont exploitables pour la localisation des nœuds qu’au bout d’un certain temps vu que la stabilité du signal n’est garantie que tardivement. Ainsi, le temps alloué pour la phase de reconnaissance devient important, accélérant de ce fait la consommation d’énergie et donc minimise la durée de vie du réseau. Pour y remédier, nous proposons une alternative qui contourne l’utilisation de la puissance du signal RSSI à tous les niveaux du mécanisme en mettant en œuvre une approche de routage hybride basée sur un mécanisme de clusterisation dynamique HRP-DCM. Cette solution permet des améliorations non seulement lors de la phase de reconnaissance du réseau mais aussi sur l’optimisation des chemins lors de la communication. Elle utilise le concept de calcul des distances temporelles lors du déploiement du réseau ainsi les délais alloués à la phase d’initialisation sont raccourcis atténuant de fait la consommation énergétique et l’exploitation des ressources. L’évaluation des performances montre bien que HRP-DCM optimisent mieux le fonctionnement du réseau quelque soit sa densité comparativement à d’autres solutions telles que HHRP TEEN et LEACH. / Managing energy consumption is an unavoidable issue for a WSN design and implementation. Focusing lonely on a hardware solution to ensure an efficient of a running network while increasing its lifetime remains insufficient. It is therefore necessary to turn towards other software solutions that enable a better control of information processing from its source until its final destination by taking into account intrinsic characteristics of sensors, such as low storage and computing capabilities and associated energy constraints. A partial response to these needs requires the development of IT tools and protocolar strategies in low-power modes by implementing mechanisms based on information routing techniques. In this thesis, we propose and develop two hierarchized protocolar solutions HHRP and HRP-DCM. The first one implements an adaptive routing mechanism based on a nonlinear energy model and a concept of communication Son-Parent for a best paths selection by taking into account a set of critical parameters such as distance source-target, signal strength and energy consumption. However, the vicinity recognition phase requires the use of RSSI radio signals to estimate distances between sensor nodes. This can be considered as a major drawback since it may cause damage on routing performances and estimation error on RSSI measurements. These latters can be used for locating nodes only after a while since the stability of RSSI signal is guaranteed only belatedly Thus, the allocated time for recognition phase becomes significant, speeding up thereby energy consumption and thus reduces the lifetime of the network. In this context, we propose an alternative that bypasses the use of RSSI power signal in different levels of HHRP mechanism by implementing a hybrid routing approach based on a dynamic clustering mechanism HRP-DCM. This solution allows improvements in recognition and in paths optimization phases, both. It uses the concept of temporal distances calculation during network deployment. Thus, allocated time for network initialization is shortened mitigating in fact energy consumption and resources exploitation. Performance evaluation shows that HRP-DCM optimizes better network whatever its density compared to other solutions such as HHRP, TEEN and LEACH routing protocols.