Les entités physiques prises en compte par les applications dites M2M dans les télécoms sont aujourd’hui de plus en plus hétérogènes. Le défi adressé par ce travail est donc l’intégration, et la configuration automatiques de toutes ces différentes variétés d’entités physiques d’une façon homogène dans les systèmes M2M, en généralisant les approches de configuration automatique déjà connues et utilisées pour les objets communicants numériques. Cette thèse présente un cadre théorique général et des mécanismes de base pour l’identification de modèles de telles entités physiques dans les systèmes d’information embarqués répartis, en englobant dans une même approche les équipements et les sous-ensembles de l’espace, faisant se rejoindre les points de vue ”internet des objets” et ”environnement interactif” dans une nouvelle vision unifiée de l’intelligence ambiante. Ce travail, motivé initialement par les applications à la gestion d’énergie domestique, cherche à intégrer au réseau local de la maison des entités physiques qui ont un impact énergétique mais ne sont dotés d’aucune connexion réseau, ce qui correspond à une extension qualitative du périmètre de l’Internet des Objets. Cette intégration se fait de manière tout à fait similaire à ce qui est fait classiquement pour des équipements numériques état de l’art, c’est-à-dire par des mécanismes de découverte et configuration spontanés. Ces mécanismes comportent les étapes suivantes : détection de la présence d’une entité physique par analyse de la coïncidence d’évènements significatifs reçus de capteurs ; sélection d’un premier modèle générique représentatif de l’entité physique détectée depuis une ontologie de référence en analysant des données reçues les capteurs ; création d’un composant logiciel représentant l’entité physique détectée, à partir du modèle sélectionné, et associant les capteurs et actionneurs utiles ; supervision et contrôle de l’entité cible par l’intermédiaire de ce composant logiciel ; mise à jour incrémentale du modèle de l’entité identifiée par analyse des données issues des capteurs associés. Ce travail est parti d’applications dans l’environnement de la maison, pour lesquelles il a été validé et mis en œuvre. Mais notre approche a vocation à être généralisée et étendue à des environnements comme les bâtiments ou la ville, en offrant suivant le même principe une infrastructure partagée pour toutes les applications M2M dans ces environnements / The physical entities which are taken into account by Machine to Machine (M2M) telecom applications are more and more heterogeneous. The challenge addressed by our research is the automatic integration and configuration of all these types of physical entities in M2M systems, with a homogeneous solution that generalizes self-configuration approaches used for networked digital devices. This thesis presents a general theoretical framework and basic mechanisms for the identification and configuration of such physical entity models in distributed embedded information systems. Our approach deals jointly with equipment and space entities encompassing the ”Internet of Things” (IoT) and ”interactive environment” viewpoints in a renewed interpretation of ambient intelligence. This work has been motivated initially by home energy management applications, trying to integrate into the Home Area Network all home entities that play a role in energy management, but do not have a networked interface of their own. This corresponds to a qualitative extension of the perimeter of the Home Area Network. This integration is achieved in a way similar to what is done for state of the art digital devices, through a spontaneous discovery and configuration mechanism, with the following stages: detection of the presence of a physical entity by analyzing the coincidence of significant events detected by sensors; selection of the first generic model corresponding to the detected physical entity from a reference ontology, on the basis of received sensors data; creation of a software component representing the detected physical entity, based on the selected model, associated with relevant sensors and actuators; provision of application interface for monitoring and control of the target entity through this intermediate software component; iterative update of the identified entity model on the basis of data from associated sensors. The proposed approach has been validated and implemented in home environments, but it is intended to be generalized and expanded to environments such as buildings or cities, offering a similarly shared infrastructure for all M2M applications in these environments

Depuis plusieurs années, l’agrégation de données sont considérés comme un domaine émergent et prometteur tant dans le milieu universitaire que dans l’industrie. L’énergie et la capacité du réseau seront donc économisées car il y aura moins de transmissions de données. Le travail de cette thèse s’intéresse principalement aux fonctions d’agrégation Nous faisons quatre contributions principales. Tout d’abord, nous proposons deux nouvelles métriques pour évaluer les performances des fonctions d’agrégations vue au niveau réseau : le taux d’agrégation et le facteur d’accroissement de la taille des paquets. Le taux d’agrégation est utilisé pour mesurer le gain de paquets non transmis grâce à l’agrégation tandis que le facteur d’accroissement de la taille des paquets permet d’évaluer la variation de la taille des paquets en fonction des politiques d’agrégation. Ces métriques permettent de quantifier l’apport de l’agrégation dans l’économie d’énergie et de la capacité utilisée en fonction du protocole de routage considéré et de la couche MAC retenue. Deuxièmement, pour réduire l’impact des données brutes collectées par les capteurs, nous proposons une méthode d’agrégation de données indépendante de la mesure physique et basée sur les tendances d’évolution des données. Nous montrons que cette méthode permet de faire une agrégation spatiale efficace tout en améliorant la fidélité des données agrégées. En troisième lieu, et parce que dans la plupart des travaux de la littérature, une hypothèse sur le comportement de l’application et/ou la topologie du réseau est toujours sous-entendue, nous proposons une nouvelle fonction d’agrégation agnostique de l’application et des données devant être collectées. Cette fonction est capable de s’adapter aux données mesurées et à leurs évolutions dynamiques. Enfin, nous nous intéressons aux outils pour proposer une classification des fonctions d’agrégation. Autrement dit, considérant une application donnée et une précision cible, comment choisir les meilleures fonctions d’agrégations en termes de performances. Les métriques, que nous avons proposé, sont utilisées pour mesurer la performance de la fonction, et un processus de décision markovien est utilisé pour les mesurer. Comment caractériser un ensemble de données est également discuté. Une classification est proposée dans un cadre précis. / Wireless Sensor Networks (WSNs) have been regarded as an emerging and promising field in both academia and industry. Currently, such networks are deployed due to their unique properties, such as self-organization and ease of deployment. However, there are still some technical challenges needed to be addressed, such as energy and network capacity constraints. Data aggregation, as a fundamental solution, processes information at sensor level as a useful digest, and only transmits the digest to the sink. The energy and capacity consumptions are reduced due to less data packets transmission. As a key category of data aggregation, aggregation function, solving how to aggregate information at sensor level, is investigated in this thesis. We make four main contributions: firstly, we propose two new networking-oriented metrics to evaluate the performance of aggregation function: aggregation ratio and packet size coefficient. Aggregation ratio is used to measure the energy saving by data aggregation, and packet size coefficient allows to evaluate the network capacity change due to data aggregation. Using these metrics, we confirm that data aggregation saves energy and capacity whatever the routing or MAC protocol is used. Secondly, to reduce the impact of sensitive raw data, we propose a data-independent aggregation method which benefits from similar data evolution and achieves better recovered fidelity. Thirdly, a property-independent aggregation function is proposed to adapt the dynamic data variations. Comparing to other functions, our proposal can fit the latest raw data better and achieve real adaptability without assumption about the application and the network topology. Finally, considering a given application, a target accuracy, we classify the forecasting aggregation functions by their performances. The networking-oriented metrics are used to measure the function performance, and a Markov Decision Process is used to compute them. Dataset characterization and classification framework are also presented to guide researcher and engineer to select an appropriate functions under specific requirements.

Les progrès réalisés durant ces dernières années dans le domaine de la microélectronique et notamment vis-à-vis de l’augmentation exponentielle de la densité d’intégration des composants et des systèmes a participé activement à l’apparition et au développement de systèmes portables communicants de plus en plus performants et polyvalents. La R&D dans les technologies de stockage d’énergie n’a pas suivi cette tendance d’évolution très rapide ; ce qui constitue un handicap majeur dans les évolutions futures des systèmes portables. La transmission d’énergie sans fils sur des distances considérables (plusieurs dizaines de mètres) grâce aux microondes constitue une solution très prometteuse pour pallier aux problèmes d’autonomie dans le cas des systèmes sans fils communicants. De plus, du fait de l’omniprésence des ondes électromagnétiques dans notre environnement avec des niveaux plus ou moins importants, la récupération et l’exploitation de cette énergie libre est également possible. La rectenna (Rectifying Antenna) est le dispositif permettant de capter et de convertir une onde électromagnétique en une tension continue. Plusieurs travaux de thèse axés sur l’étude et l’optimisation de la rectenna ont été réalisés au sein du laboratoire. Ces travaux avaient montré que pour des faibles niveaux de champs les tensions délivrées par la rectenna sont généralement très faibles et inexploitables. Aussi, comme la majorité des micro-sources d’énergie et à cause de son impédance interne, les performances de la rectenna dépendent fortement de sa charge de sortie. Ainsi, le développement d’un système d’interfaçage de la rectenna est nécessaire afin de pallier ces manquements inhérents du convertisseur RF/DC. Ce genre de système d’interfaçage est généralement absent dans la littérature à cause des faibles niveaux de puissance exploités. Par conséquent, la rectenna est très souvent utilisée tel quelle ; ce qui limite fortement le champ applicatif. Dans ce projet de recherche, un système de gestion énergétique de la rectenna complètement autonome a été conçu, développé et optimisé afin de garantir les performances optimales de la rectenna quelques soient les fluctuations de la puissance d’entrée et celles de la charge de sortie. Le circuit d’interfaçage permet également de fournir à la charge des niveaux de tension utilisables. Le système réalisé est basé tout d’abord sur l’utilisation d’un convertisseur DC/DC résonant pouvant fonctionner d’une manière complètement autonome à partir de niveaux très bas de la tension et de la puissance de la source. Ce convertisseur permet donc de garantir l’autonomie du système en éliminant la nécessité d’une source d’énergie auxiliaire. A cause de ses faibles performances énergétiques, ce convertisseur ne sera utilisé que durant la phase de démarrage. L’efficacité du système en termes de rendement énergétique et d’adaptation d’impédance est garantie grâce à l’utilisation d’un convertisseur Flyback fonctionnant dans son régime de conduction discontinu. Ainsi, une adaptation d’impédance très efficace est réalisée entre la rectenna et la charge de sortie. Ce convertisseur principal fonctionnera durant le régime permanent. Les deux convertisseurs ont été optimisés pour des niveaux de tension et de puissance aussi bas que quelques centaines de mV et quelques μW respectivement. Des mesures expérimentales réalisées sur plusieurs prototypes ont démontré le bon fonctionnement et les excellentes performances prédites par la procédure de conception ; ce qui nous permet de valider notre approche. De plus, les performances obtenues se distinguent parfaitement vis-à-vis de l’état de l’art. Enfin, en fonction de l’application désirée, plusieurs synoptiques d’association des deux structures sont proposés. Ceci inclut également la gestion énergétique de la charge de sortie. / Latest advancements in microelectronic technologies and especially with the exponential increase of components and devices integration density have yield novel high technology and polyvalent portable systems. Such polyvalent communication devices need more and more available energy. Nonetheless, research in energy storage technology did not evolve with a similar speed. This constitutes a substantial handicap for the future evolution of portable devices. Wireless energy transfer through large distances such as tens of meters using microwaves is a very promising solution in order to deal with the autonomy problem in portable devices. In addition, since electromagnetic waves are ubiquitous in our environment, harvesting and using this free and available energy is also possible. Rectenna (Rectifying Antenna) is the device that allows to collect and to convert an electromagnetic wave into DC power. Several thesis research projects focusing on studying and optimizing the rectenna was carried-out into the Ampere laboratory. It has been shown that for a low level of the electromagnetic field the voltage provided by the rectenna is ultra-low and thus impractical. Further, as it is the case for the majority of energy harvesting micro-sources, the performances of the rectenna depend highly with the loading conditions. So, the development of an interfacing circuit for the rectenna is a necessary task in order to relieve the RF/DC converter inherent flaws. As it is pointed out into the literature, such power management circuit is in most cases absent due to the ultra-low power levels. In most cases, the rectenna is used as it; which reduces strongly the applications area. Within this research project, an ultra-low power and fully-autonomous power management system dedicated to rectennas was developed and optimized. It allows to guarantee highest performances of the rectenna whatever are the fluctuation of the input power level and the output load conditions. In addition, this power management system allows to provide a conventional voltage level to the load. The first part of the developed system is composed by a resonant DC/DC converter which plays the role of start-up circuit. In this case, no external energy source is required even with low voltage and ultra-low power source conditions. Because of its general poor energetic performances, this resonant converter will be used only during the start-up phase. The second part of the developed system is composed by a Flyback converter operating in its discontinuous conduction mode. Using this mode, the converter realizes static and very effective impedance matching with the rectenna in order to extract the maximum available power whatever are the input and the output conditions. Furthermore, thanks to the optimization procedure, the converter shows excellent efficiency performances even for μW power levels based on a discrete demonstrator. Finally, the converter provides conventional voltage levels allowing to power standard electronics. Experimental tests based on discrete prototypes for the both converters show distinguish results for the start-up voltage, the impedance matching effectiveness and the efficiency as regard to the state of the art.

L’Intelligence Ambiamte (AmI) est un domaine de recherche investigant les techniques d’intelligence artificielle pour créer des environnements réactifs. Les réseaux de capteurs et effecteurs sans-fils sont les supports de communication entre les appareils ménagers, les services installés et les interfaces homme-machine. Cette thèse s’intéresse à la conception d’Environements Réactifs avec des propriétés autonomiques i.e. des systèmes qui ont la capacité de se gérer eux-même. De tels environements sont ouverts, à grande échelle, dynamique et hétérogène, ce qui induit certains problèmes pour leur gestion par des systèmes monolithiques. L’approche proposée est bio-inspirée en considérant chacune des plate-formes comme une cellule indépendente formant un organisme intelligent distribué. Chaque cellule est programmée par un processus ADN-RNA décrit par des règles réactives décrivant leur comportement interne et externe. Ces règles sont modelées par des agents mobiles ayant des capacités d’auto-réécriture et offrant ainsi des possibilités de reprogrammation dynamique. Le framework EMMA est composé d’un middleware modulaire avec une architecture orientée ressource basée sur la technologie 6LoWPAN et d’une architecture MAPE-K pour concevoir des AmI à plusieurs échelles. Les différentes relations entre les problèmes techniques et les besoins théoriques sont discutées dans cette thèse depuis les plate-formes, le réseau, le middleware, les agents mobiles, le déploiement des applications jusqu’au système intelligent. Deux algorithmes pour AmI sont proposés : un modèle de contrôleur neuronal artificiel pour le contrôle automatique des appareils ménagers avec des processus d’apprentissage ainsi qu’une procédure de vote distribuée pour synchroniser les décisions de plusieurs composants systèmes. / AThe Ambient Intelligence (AmI) is a research area investigating AI techniques to create Responsive Environments (RE). Wireless Sensor and Actor Network (WSAN) are the supports for communications between the appliances, the deployed services and Human Computer Interface (HCI). This thesis focuses on the design of RE with autonomic properties i.e. system that have the ability to manage themselves. Such environments are open, large scale, dynamic and heterogeneous which induce some difficulties in their management by monolithic system. The bio-inspired proposal considers all devices like independent cells forming an intelligent distributed organism. Each cell is programmed by a DNA-RNA process composed of reactive rules describing its internal and external behaviour. These rules are modelled by reactive agents with self-rewriting features offering dynamic reprogramming abilities. The EMMA framework is composed of a modular Resource Oriented Architecture (ROA) Middleware based on IPv6 LoW Power Wireless Area Networks (6LoWPAN) technology and a MAPE-K architecture to design multi-scale AmI. The different relations between technical issues and theoretical requirements are discussed through the platforms, the network, the middleware, the mobile agents, the application deployment to the intelligent system. Two algorithms for AmI are proposed: an Artificial Neural Controller (ANC) model for automatic control of appliances with learning processes and a distributed Voting Procedures (VP) to synchronize the decisions of several system components over the WSAN.

Dans les systèmes d'alertes publiques, l’étude de la diffusion des informations dans le réseau est essentielle. Les systèmes de diffusion des messages d'alertes doivent atteindre beaucoup de nœuds en peu de temps. Dans les réseaux de communication basés sur les interactions “device to device”, on s'est récemment beaucoup intéressé à la diffusion des informations et le besoin d'auto-organisation a été mis en évidence. L'auto-organisation conduit à des comportements locaux et des interactions qui ont un effet sur le réseau global et présentent un avantage de scalabilité. Ces réseaux auto-organisés peuvent être autonomes et utiliser peu d'espace mémoire. On peut développer des caractères auto-organisés dans les réseaux de communication en utilisant des idées venant de phénomènes naturels. Il semble intéressant de chercher à obtenir les propriétés des “small world” pour améliorer la diffusion des informations dans le réseau. Dans les modèles de “small world” on réalise un recâblage des liens dans le réseau en changeant la taille et la direction des liens existants. Dans un environnement sans-fils autonome une organisation de ce type peut être créée en utilisant le flocking, l'inhibition latérale et le “beamforming”. Dans ce but, l'auteur utilise d'abord l'analogie avec l'inhibition latérale, le flocking et le “beamforming” pour montrer comment la diffusion des informations peut être améliorée. L'analogue de l'inhibition latérale est utilisé pour créer des régions virtuelles dans le réseau. Puis en utilisant l'analogie avec les règles du flocking, on caractérise les propriétés des faisceaux permettant aux nœuds de communiquer dans les régions. Nous prouvons que les propriétés des “small world” sont vérifiées en utilisant la mesure des moyennes des longueurs des chemins. Cependant l'algorithme proposé est valable pour les réseaux statiques alors que dans les cas introduisant de la mobilité, les concepts d'inhibition latérale et de flocking nécessiteraient beaucoup plus de temps. Dans le cas d'un réseau mobile la structure du réseau change fréquemment. Certaines connexions intermittentes impactent fortement la diffusion des informations. L'auteur utilise le concept de stabilité avec le “beamforming” pour montrer comment on peut améliorer la diffusion des informations. Dans son algorithme il prévoit d'abord la stabilité du nœud en utilisant des informations locales et il utilise ce résultat pour identifier les nœuds qui réaliseront du beamforming. Dans l'algorithme, les nœuds de stabilité faible sont autorisés à faire du beamforming vers les nœuds de forte stabilité. La frontière entre forte et faible stabilité est fixée par un seuil. Cet algorithme ne nécessite pas une connaissance globale du réseau, mais utilise des données locales. Les résultats sont validés en étudiant le temps au bout duquel plus de nœuds reçoivent l'information et en comparant avec d'autres algorithmes de la littérature. Cependant, dans les réseaux réels, les changements de structure ne sont pas dus qu'à la mobilité, mais également à des changements de la densité des nœuds à un moment donné. Pour tenir compte de l'influence de tels événements sur la diffusion des informations concernant la sécurité publique, l'auteur utilise les concepts de modèle de métapopulation, épidémiologiques, “beamforming” et mobilité géographique obtenu à partir de données D4D. L'auteur propose la création de trois états latents qu'il ajoute au modèle épidémiologique connu: SIR. L'auteur étudie les états transitoires en analysant l'évolution du nombre de postes ayant reçu les informations et compare les résultats concernant ce nombre dans les différents cas. L'auteur démontre ainsi que le scenario qu'il propose permet d'améliorer le processus de diffusion des informations. Il montre aussi les effets de différents paramètres comme le nombre de sources, le nombre de paquets, les paramètres de mobilité et ceux qui caractérisent les antennes sur la diffusion des informations / In public warning message systems, information dissemination across the network is a critical aspect that has to be addressed. Dissemination of warning messages should be such that it reaches as many nodes in the network in a short time. In communication networks those based on device to device interactions, dissemination of the information has lately picked up lot of interest and the need for self organization of the network has been brought up. Self organization leads to local behaviors and interactions that have global effects and helps in addressing scaling issues. The use of self organized features allows autonomous behavior with low memory usage. Some examples of self organization phenomenon that are observed in nature are Lateral Inhibition and Flocking. In order to provide self organized features to communication networks, insights from such naturally occurring phenomenon is used. Achieving small world properties is an attractive way to enhance information dissemination across the network. In small world model rewiring of links in the network is performed by altering the length and the direction of the existing links. In an autonomous wireless environment such organization can be achieved using self organized phenomenon like Lateral inhibition and Flocking and beamforming (a concept in communication). Towards this, we first use Lateral Inhibition, analogy to Flocking behavior and beamforming to show how dissemination of information can be enhanced. Lateral Inhibition is used to create virtual regions in the network. Then using the analogy of Flocking rules, beam properties of the nodes in the regions are set. We then prove that small world properties are achieved using average path length metric. However, the proposed algorithm is applicable to static networks and Flocking and Lateral Inhibition concepts, if used in a mobile scenario, will be highly complex in terms of computation and memory. In a mobile scenario such as human mobility aided networks, the network structure changes frequently. In such conditions dissemination of information is highly impacted as new connections are made and old ones are broken. We thus use stability concept in mobile networks with beamforming to show how information dissemination process can be enhanced. In the algorithm, we first predict the stability of a node in the mobile network using locally available information and then uses it to identify beamforming nodes. In the algorithm, the low stability nodes are allowed to beamform towards the nodes with high stability. The difference between high and low stability nodes is based on threshold value. The algorithm is developed such that it does not require any global knowledge about the network and works using only local information. The results are validated using how quickly more number of nodes receive the information and different state of the art algorithms. We also show the effect of various parameters such as number of sources, number of packets, mobility parameters and antenna parameters etc. on the information dissemination process in the network. In realistic scenarios however, the dynamicity in the network is not only related to mobility. Dynamic conditions also arise due to change in density of nodes at a given time. To address effect of such scenario on the dissemination of information related to public safety in a metapopulation, we use the concepts of epidemic model, beamforming and the countrywide mobility pattern extracted from the $D4D$ dataset. Here, we also propose the addition of three latent states to the existing epidemic model ($SIR$ model). We study the transient states towards the evolution of the number of devices having the information and the difference in the number of devices having the information when compared with different cases to evaluate the results. Through the results we show that enhancements in the dissemination process can be achieved in the addressed scenario

Les réseaux de capteurs-actuateurs sans fils (WSANs) sont une technologie émergente dans divers domaines d'application tels que la surveillance, le contrôle du trafic, la domotique, etc. La conception et le développement d'applications utilisant ces technologies restent, cependant, une tâche difficile. En effet, la découverte des capteurs et actuateurs pertinents, et leur combinaison de manière appropriée pour atteindre un objectif spécifique n'est pas une tâche facile et nécessite plusieurs compétences détenues par différents acteurs. De plus, les environnements de capteurs/actuateurs sont par nature très dynamiques. En outre, les applications actuelles sont en général étroitement couplées à l'infrastructure sous-jacente, ce qui entrave leur réutilisation et la flexibilité aux changements.Dans cette thèse, nous présentons une approche orientée processus métier et services afin de permettre le développement des applications adaptables. Notre approche découple la logique de l'application et sa mise en œuvre : Un modèle est d'abord spécifié dans la phase de conception, comme un flux d'activités, et est ensuite déployé dans un environnement particulier. Découpler la logique d'une application et sa mise en œuvre permet d'une part d'apporter la réutilisation au niveau d'application et d'autre part d'adapter la même application à différents environnements et situations. Pour aider les concepteurs à spécifier des nouvelles applications WSANs, nous proposons deux méthodes: 1) la réutilisation d'activité et d'orchestration par le biais des flux de données, et 2) la recommandation d'activité par le biais des flux de contrôle. En outre, la même technique de recommandation fournit la tolérance de panne permettant à une application WSAN de s'adapter aux changements dus aux défaillances des capteurs ou/et actuateurs ou à des violations des contraintes. Notre approche a été validée par des cas d'utilisation réalistes mis en œuvre dans le cadre de la plateforme européenne de VITRO et la plate-forme ZODIANET. / Wireless Sensor and Actuator Networks (WSANs) is an emergent technology for various application areas such as security and surveillance applications, traffic control, energy control, etc. Designing and developing applications using these technologies remain, however, a challenging task. Indeed, finding the relevant sensors and actuators, and combining them in a proper way in order to achieve a specific goal is not an easy task and requires several skills detained by different stakeholders. Moreover, sensor/actuator environments are inherently highly dynamic. Furthermore, current applications are in general tightly coupled to the underlying infrastructure which hampers their reuse and flexibility to changes.In this thesis, we present a process-oriented and service-based approach for supporting the development of adaptive WSAN applications. Our approach decouples between the application logic and its implementation. A design-time model is first specified, as a flow of activities, which is then deployed in a particular environment. Decoupling the application logic from its implementation enables on one hand to foster the reuse at the application level and on the other hand to adapt the same application to different environments and situations. To assist designers in specifying new WSAN applications, we propose two methods: 1)activity and orchestration reuse through data flows, and 2)activity recommendation through control flows. Moreover, the same recommendation technique enables providing fault-tolerant mechanism enabling a WSAN application to adapt to changes due to sensor failures or constraints violation. Our approach has been validated by realistic use cases that have been implemented in the context of the European project VITRO platform and the Zodianet platform.

Cette thèse est une thèse CIFRE entre le LORIA et la société MEDETIC et porte sur la conception des systèmes de télésurveillance pour le maintien à domicile des personnes âgées.Le système est conçu aux personnes âgées qui veulent passer leur vieillesse dans leur propre maison, à cause de son potentiel pour augmenter l'indépendance et la qualité de la vie. Cela profiterait non seulement aux personnes âgées qui veulent vivre dans leur propre maison, mais aussi le système de santé publique en coupant des prix de façon significative.Mis à part la conception d'une architecture de télésurveillance « Vill’Âge® »basée sur des réseaux de capteurs hétérogènes (Domotique, IEEE802.15.4/Zigbee, Wifi, Bluetooth), la thèse a contribué essentiellement sur la proposition d'un protocole de clustering et de routage dans le réseau de capteurs sans fil avec une approche de la logique floue, et d'un middleware pour la collecte et le traitement des données des capteurs avec la gestion de la qualité de service comme particularité.Une première plateforme de test à été développée à Colmar (MEDETIC) et une seconde, plus complète et fait suite de cette thèse, est en cours de développement au LORIA (http://infositu.loria.fr/).Nous avons participé dans le concours de ministère de l'Enseignement supérieur et de la recherche avec un projet intitulé MPIGate: « Multi Protocol Interface and Gateway for telecare, environment Monitoring and Control » et nous avons gagné le prix de ce concours au niveau d’émergence. / This thesis is a thesis CIFRE between LORIA and the MEDETIC Company and focuses on the design of telehomecare system for the elderly.In addition to the design of a remote surveillance architecture “Vill’Âge ®” based on networks of heterogeneous sensor (home automation, IEEE802.15.4/Zigbee, Wifi, Bluetooth), thesis has contributed essentially on the proposal of a clustering and routing protocol in the network of wireless sensors with an approach to fuzzy logic, and of a middleware for the collection and processing of data from sensors with the management of the quality of service as a special feature.A first platform was developed at Colmar (MEDETIC) and a second who is more complete is under development at LORIA (http://infositu.loria.fr/).By using this system, MEDeTIC, offers a new concept of smart homes for the senior citizens, named in French “Maisons Vill’Âge”. The first housing schemes are being built in 2 departments of France. A flat is entirely equipped to act as a demonstrator and as laboratory of research and development.The system is designed for the elderly who wish to spend their old age in their own home, because of its potential to increase independence and quality of life. This would not only benefit the elderly who want to live in their own home, but also the national health care system by cutting costs significantly. Based on this PhD thesis, MPIGate, a “Multiprotocol Interface and Gateway for for telecare, environment”, has been developed. MPIGate was awarded in the competition of the Ministry of Higher Education and Research and OSEO 2010

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés aux réseaux urbains considérés par le projet ANR ARESA2 qui sont principalement des réseaux de capteurs et actionneurs hétérogènes : l’hétérogénéité est causée par la coexistence des noeuds capteurs à faibles ressources et des noeuds actionneurs riches en ressources. Ces derniers devraient être utilisés de manière différenciée par le réseau. C’est dans ce contexte que se déroule cette thèse dans laquelle nous avons étudié des algorithmes d’auto-organisations et de routage s’appuyant sur l’hétérogénéité. Au début, nous nous sommes intéressés à l’auto-organisation dans un contexte hétérogène. Se basant sur l’idée que les ressources au niveau des noeuds actionneurs doivent être exploitées afin de réduire la charge de communication au niveau des noeuds capteurs, nous avons proposé un protocole d’auto-organisation appelée Far-Legos. Far-Legos permet de profiter de la puissance d’émission des actionneurs pour apporter une information de gradient au niveau des capteurs. Les actionneurs initient et construisent une topologie logique. Cette dernière sera utilisée pour faciliter la phase de collecte de données à partir des noeuds capteurs vers les noeuds actionneurs. Ensuite, nous nous sommes intéressés aux liens asymétriques causés par la présence de différents types de noeuds avec différentes portées de transmission. Ces liens asymétriques, causés par l’hétérogénéité au niveau des noeuds constituant le réseau, peuvent détériorer les performances des protocoles de routage qui ne tiennent pas compte de ce type de liens. Pour éviter la dégradation de ces protocoles de routage, nous introduisons une nouvelle métrique de calcul de gradient ou de rang. Celle-ci sera utile pour détecter et éviter les liens asymétriques au niveau de la couche réseau pour le protocole de routage RPL. Nous présentons aussi une adaptation du protocole de collecte de données basé sur Legos pour détecter et éviter ces liens asymétriques. Enfin, nous nous sommes intéressés à l’exploitation de ces liens asymétriques. Nous proposons ainsi un protocole de collecte de données dédiés aux réseaux hétérogènes contenant des liens asymétriques appelé AsymRP. AsymRP est un protocole de routage dédié au trafic de collecte de données basé sur une connaissance de voisinage à 2-sauts combinée avec l’utilisation des messages d’acquittements (ACKs) implicites et une technique de routage de messages ACKs explicites. Cette proposition tire profit des liens asymétriques afin d’assurer une collecte de données fiable. / In this thesis, we focused on urban wireless networks considered by the ANR project ARESA2. The networks considered by this project are heterogeneous networks. This heterogeneity is caused by the coexistence of sensor nodes with limited resources and actuator nodes with higher resources. Actuators nodes should be used differentially by the network. Hence designed protocols for WSANs should exploit resource-rich devices to reduce the communication burden on low power nodes. It is in this context that this thesis takes place in which we studied self-organizing and routing algorithms based on the heterogeneity. First, we are interested in self-organization protocols in a heterogeneous network. Based on the idea that resource-rich nodes must be exploited to reduce the communication load level on low-power nodes, we proposed self-organizing protocol called Far-Legos. Far-Legos uses the large transmit power of actuators to provide gradient information to sensor nodes. Actuators initiate and construct a logical topology. The nature of this logical topology is different inside and outside the transmission range of these resourceful nodes. This logical topology will be used to facilitate the data collection from sensor to actuator nodes. Second, we investigated the asymmetric links caused by the presence of heterogeneous nodes with different transmission ranges. The apparition of asymmetric links can dramatically decrease the performance of routing protocols that are not designed to support them. To prevent performance degradation of these routing protocols, we introduce a new metric for rank calculation. This metric will be useful to detect and avoid asymmetric links for RPL routing protocol. We also present an adaptation of data collection protocol based on Legos to detect and avoid these asymmetric links. Finally, we are interested in exploiting the asymmetric links present in the network. We proposed a new routing protocol for data collection in heterogeneous networks, called AsymRP. AsymRP, a convergecast routing protocol, assumes 2-hop neighborhood knowledge and uses implicit and explicit acknowledgment. It takes advantage of asymmetric links to ensure reliable data collection.

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. (...)