Varje dag kopplas tusentals godsvagnar om på de olika rangerbangårdarna i Sverige. För att kunna automatiskt bromsa vagnarna tillräckligt mycket är det nödvändigt att veta deras hastigheter. En teknik som har blivit populär på sistone är Light Detection and Ranging (LiDAR) som använder ljus för att mäta avstånd till objekt. Den här rapporten diskuterar design- och implementationsprocessen av ett trådlöst sensornätverk bestående av en LiDARutrustad sensornod. Designprocessen gav en insikt i hur LiDAR-sensorer bör placeras för att täcka en så stor yta som möjligt. Sensornoden var programmerad att bestämma avståndet av objekt genom att använda Random Sample Consensus (RANSAC) för att ta bort outliers och sen linjär regression på de inliers som detekterats. Implementationen utvärderades genom att bygga ett litet spår med en låda som kunde glida fram och tillbaka över spåret. LiDAR- sensorn placerades med en vinkel vid sidan om spåret. Resultaten visade att implementationen både kunde detektera objekt på spåret och också hastigheten av objekten. En simulation gjordes också med hjälp av en 3D-modell av en tågvagn för att se hur väl algoritmen hanterade ojämna ytor. LiDAR-sensorn i simuleringen hade en strålavvikelse på 0_. 30% av de simulerade mätvärdena gjordes om till outliers för att replikera dåliga väderförhållanden. Resultaten visade att RANSAC effektivt kunde ta bort outliers men att de ojämna ytorna på tåget ledde till felaktiga hastighetsmätningar. En slutsats var att en sensor med en divergerande stråle möjligtvis skulle leda till bättre resultat. Framtida arbete inkluderar att utvärdera implementationen på en riktig bangård, hitta optimala parametrar för algoritmen samt evaluera algoritmer som kan filtrera data från ojämn geometri. / Every day, thousands of train wagons are coupled on the multiple classification yards in Sweden. To be able to automatically brake the wagons a sufficient amount, it is a necessity to determine the speed of the wagons. A technology that has been on the rise recently is Light Detection and Ranging (LiDAR) that emits light to determine the distance to objects. This report discusses the design and implementation of a wireless sensor network consisting of a LiDAR-equipped sensor node. The design process provided insight into how LiDAR sensors may be placed for maximum utilization. The sensor node was programmed to determine the speed of an object by first using Random Sample Consensus (RANSAC) for outlier removal and then linear regression on the inliers. The implementation was evaluated by building a small track with an object sliding over it and placing the sensor node at an angle to the side of the track. The results showed that the implementation could both detect objects on the track and also track the speed of the objects. A simulation was also made using a 3D model of a wagon to see how the algorithm performs on non-smooth surfaces. The simulated LiDAR sensor had a beam divergence of 0_. 30% of the simulated measurements were turned into outliers to replicate bad weather conditions. The results showed that RANSAC was efficient at removing the outliers but that the rough surface of the wagon resulted in some incorrect speed measurements. A conclusion was made that a sensor with some beam divergence could be beneficial. Future work includes testing the implementation in real-world scenarios, finding optimal parameters for the proposed algorithm, and to evaluate algorithms that can filter rough geometry data.

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Trådlösa sensornät (eng. Wireless Sensor Networks, WSN) är ett snabbt växande teknikområde med många applikationer. Ett typiskt WSN består av en mängd små billiga och energisnåla enheter, så kallade sensornoder, som mäter någon miljöparameter och via radio skickar ett datapaket med uppmätt värde till en basstation som ofta är kopplad till en PC. Informationen kan därefter analyseras eller redovisas grafiskt för användaren. Sensornätverkets storlek kan variera från några få noder på en liten yta till nätverk med tusentals noder som täcker flera kvadratkilometer stora områden. Ett avsnitt om trådlösa sensornät ingår i kursen Data- och telekommunikationsteknik II, DA122T, vid Malmö högskola. Denna rapport presenterar ett examensarbete med att utveckla laborationer och studiematerial om sensornät till kursen.Utrustningen som används i laborationerna är ett paket innehållande sex sensornoder, en basstation och nödvändig programvara. Tillverkare är Crossbow Technology, världens ledande företag inom WSN.Resultatet av arbetet är två laborationshandledningar, beskrivning av utrustning som används i laborationerna samt en rapport – Introduktion till WSN. Handledningarna och det övriga materialet är skrivna på svenska.Den första laborationen, i vilken man bygger ett enkelt WSN, ger studenten förståelse för principen hos trådlösa sensornät och för hur hårdvaran och programvaran samverkar med varandra. I den andra laborationen lär sig studenten programmera sensornoder för att sedan studera kommunikationen mellan noderna och basstationen samt undersöka olika nätverkstopologier. / Wireless sensor networks, WSN, is a rapidly growing field of technology with many applications. A typical WSN consists of many small, inexpensive and energy-saving devices, called sensor nodes. These nodes measure an environmental parameter and the radio sends a data packet with the measured value to a base station, which is often connected to a PC. The information can then be analyzed and presented graphically to the user. A sensor network's size can vary from a few nodes in a small area to a network with thousands of nodes that covers several square kilometers of area. A section on wireless sensor networks is part of the course in Computer and telecommunication technologies II, DA122T, at Malmö University. This thesis reports on the development of study material for the practical laboratory motes on sensor networks for the course. The equipment used in the practical experiments is a package containing six sensor nodes, a base station and the necessary software. The manufacturers are Crossbow Technology, the world's leading company of WSN products. The results of the work are two practical exercises, a description of the equipment used in practical experiments and a report – Introduction to WSN. These guides and other materials are written in Swedish. The first lab in which to build a simple WSN, gives students an understanding of the principle of wireless sensor networks and how the hardware and software interacts with each other. In the second exercise, students will learn to program the sensor nodes to study the communication between the nodes and the base station and to explore the different network topologies.

[EN] This dissertation addresses the problem of multimedia delivery over multi-hop ad hoc wireless networks, and especially over wireless sensor networks. Due to their characteristics of low power consumption, low processing capacity and low memory capacity, they have major difficulties in achieving optimal quality levels demanded by end users in such communications. In the first part of this work, it has been carried out a study to determine the behavior of a variety of multimedia streams and how they are affected by the network conditions when they are transmitted over topologies formed by devices of different technologies in multi hop wireless ad hoc mode. To achieve this goal, we have performed experimental tests using a test bench, which combine the main codecs used in audio and video streaming over IP networks with different sound and video captures representing the characteristic patterns of multimedia services such as phone calls, video communications, IPTV and video on demand (VOD). With the information gathered in the laboratory, we have been able to establish the correlation between the induced changes in the physical and logical topology and the network parameters that measure the quality of service (QoS) of a multimedia transmission, such as latency, jitter or packet loss. At this stage of the investigation, a study was performed to determine the state of the art of the proposed protocols, algorithms, and practical implementations that have been explicitly developed to optimize the multimedia transmission over wireless ad hoc networks, especially in ad hoc networks using clusters of nodes distributed over a geographic area and wireless sensor networks. Next step of this research was the development of an algorithm focused on the logical organization of clusters formed by nodes capable of adapting to the circumstances of real-time traffic. The stated goal was to achieve the maximum utilization of the resources offered by the set of nodes that forms the network, allowing simultaneously sending reliably and efficiently all types of content through them, and mixing conventional IP data traffic with multimedia traffic with stringent QoS and QoE requirements. Using the information gathered in the previous phase, we have developed a network architecture that improves overall network performance and multimedia streaming. In parallel, it has been designed and programmed a communication protocol that allows implementing the proposal and testing its operation on real network infrastructures. In the last phase of this thesis we have focused our work on sending multimedia in wireless sensor networks (WSN). Based on the above results, we have adapted both the architecture and the communication protocol for this particular type of network, whose use has been growing hugely in recent years. / [ES] Esta tesis doctoral aborda el problema de la distribución de contenidos multimedia a través de redes inalámbricas ad hoc multisalto, especialmente las redes inalámbricas de sensores que, debido a sus características de bajo consumo energético, baja capacidad de procesamiento y baja capacidad de memoria, plantean grandes dificultades para alcanzar los niveles de calidad óptimos que exigen los usuarios finales en dicho tipo de comunicaciones. En la primera parte de este trabajo se ha llevado a cabo un estudio para determinar el comportamiento de una gran variedad de flujos multimedia y como se ven afectados por las condiciones de la red cuando son transmitidos a través topologías formadas por dispositivos de diferentes tecnologías que se comunican en modo ad hoc multisalto inalámbrico. Para ello, se han realizado pruebas experimentales sobre una maqueta de laboratorio, combinando los principales códecs empleados en la transmisión de audio y video a través de redes IP con diversas capturas de sonido y video que representan patrones característicos de servicios multimedia tales como las llamadas telefónicas, videoconferencias, IPTV o video bajo demanda (VOD). Con la información reunida en el laboratorio se ha podido establecer la correlación entre los cambios inducidos en la topología física y lógica de la red con los parámetros que miden la calidad de servicio (QoS) de una transmisión multimedia, tales como la latencia el jitter o la pérdida de paquetes. En esta fase de la investigación se realiza un estudio para determinar el estado del arte de las propuestas de desarrollo e implementación de protocolos y algoritmos que se han generado de forma explícita para optimizar la transmisión de tráfico multimedia sobre redes ad hoc inalámbricas, especialmente en las redes inalámbricas de sensores y redes ad hoc utilizando clústeres de nodos distribuidos en un espacio geográfico. El siguiente paso en la investigación ha consistido en el desarrollo de un algoritmo propio para la organización lógica de clústeres formados por nodos capaces de adaptarse a las circunstancias del tráfico en tiempo real. El objetivo planteado es conseguir un aprovechamiento máximo de los recursos ofrecidos por el conjunto de nodos que forman la red, permitiendo de forma simultánea el envío de todo tipo de contenidos a través de ellos de forma confiable y eficiente, permitiendo la convivencia de tráfico de datos IP convencional con tráfico multimedia con requisitos exigentes de QoS y QoE. A partir de la información conseguida en la fase anterior, se ha desarrollado una arquitectura de red que mejora el rendimiento general de la red y el de las transmisiones multimedia de audio y video en particular. De forma paralela, se ha diseñado y programado un protocolo de comunicación que permite implementar el modelo y testear su funcionamiento sobre infraestructuras de red reales. En la última fase de esta tesis se ha dirigido la atención hacia la transmisión multimedia en las redes de sensores inalámbricos (WSN). Partiendo de los resultados anteriores, se ha adaptado tanto la arquitectura como el protocolo de comunicaciones para este tipo concreto de red, cuyo uso se ha extendido en los últimos años de forma considerable / [CA] Esta tesi doctoral aborda el problema de la distribució de continguts multimèdia a través de xarxes sense fil ad hoc multi salt, especialment les xarxes sense fil de sensors que, a causa de les seues característiques de baix consum energètic, baixa capacitat de processament i baixa capacitat de memòria, plantegen grans dificultats per a aconseguir els nivells de qualitat òptims que exigixen els usuaris finals en eixos tipus de comunicacions. En la primera part d'este treball s'ha dut a terme un estudi per a determinar el comportament d'una gran varietat de fluxos multimèdia i com es veuen afectats per les condicions de la xarxa quan són transmesos a través topologies formades per dispositius de diferents tecnologies que es comuniquen en mode ad hoc multi salt sense fil. Per a això, s'han realitzat proves experimentals sobre una maqueta de laboratori, combinant els principals códecs empleats en la transmissió d'àudio i vídeo a través de xarxes IP amb diverses captures de so i vídeo que representen patrons característics de serveis multimèdia com son les cridades telefòniques, videoconferències, IPTV o vídeo baix demanda (VOD). Amb la informació reunida en el laboratori s'ha pogut establir la correlació entre els canvis induïts en la topologia física i lògica de la xarxa amb els paràmetres que mesuren la qualitat de servei (QoS) d'una transmissió multimèdia, com la latència el jitter o la pèrdua de paquets. En esta fase de la investigació es realitza un estudi per a determinar l'estat de l'art de les propostes de desenvolupament i implementació de protocols i algoritmes que s'han generat de forma explícita per a optimitzar la transmissió de tràfic multimèdia sobre xarxes ad hoc sense fil, especialment en les xarxes sense fil de sensors and xarxes ad hoc utilitzant clusters de nodes distribuïts en un espai geogràfic. El següent pas en la investigació ha consistit en el desenvolupament d'un algoritme propi per a l'organització lògica de clusters formats per nodes capaços d'adaptar-se a les circumstàncies del tràfic en temps real. L'objectiu plantejat és aconseguir un aprofitament màxim dels recursos oferits pel conjunt de nodes que formen la xarxa, permetent de forma simultània l'enviament de qualsevol tipus de continguts a través d'ells de forma confiable i eficient, permetent la convivència de tràfic de dades IP convencional amb tràfic multimèdia amb requisits exigents de QoS i QoE. A partir de la informació aconseguida en la fase anterior, s'ha desenvolupat una arquitectura de xarxa que millora el rendiment general de la xarxa i el de les transmissions multimèdia d'àudio i vídeo en particular. De forma paral¿lela, s'ha dissenyat i programat un protocol de comunicació que permet implementar el model i testejar el seu funcionament sobre infraestructures de xarxa reals. En l'última fase d'esta tesi s'ha dirigit l'atenció cap a la transmissió multimèdia en les xarxes de sensors sense fil (WSN). Partint dels resultats anteriors, s'ha adaptat tant l'arquitectura com el protocol de comunicacions per a aquest tipus concret de xarxa, l'ús del qual s'ha estés en els últims anys de forma considerable. / Díaz Santos, JR. (2016). Design and Implementation of a Communication Protocol to Improve Multimedia QoS and QoE in Wireless Ad Hoc Networks [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/62162

Dans le domaine des réseaux de capteurs sans-fil (dits « WSN »), les piles réseau spécialisées constituent un domaine de recherche très actif depuis maintenant de nombreuses années. Toutefois, beaucoup de ces études, notamment concernant les couches basses de ces piles réseau, n’ont pas dépassé le stade de la théorie. Leurs implantations n’ont sauf exception pas fait l’objet d’efforts poussés ou systématiques, surtout dans le cadre des systèmes d’exploitation spécialisés. Nous nous proposons donc, dans cette thèse, de nous focaliser sur l’analyse des interactions entre les protocoles des couches basses et les plates-formes logicielles dédiées, et de les optimiser, notamment au niveau de l’implantation. Nous passons d’abord en revue et évaluons les différents systèmes d’exploitation spécialisés, et choisissons celui offrant les fonctionnalités, notamment temps-réel, que nous estimons nécessaires pour implanter des protocoles MAC / RDC novateurs et performants. Nous entreprenons ensuite un effort d’étude, d’amélioration et d’optimisation de ces couches basses des piles spécialisées, et montrons, avec une implantation concrète d’un de nos protocoles MAC / RDC avancés, que nous pouvons amener des progrès notables dans la qualité de service (QdS) des WSN, notamment avec un trafic réseau intense. Nous examinons en outre des inexactitudes inattendues dans les simulations / émulations effectuées par Cooja / MSPSim, et analysons les problèmes de fiabilité posés par l’utilisation de cet outil pour effectuer des évaluations de performances, notamment temporelles, de WSN. Nous proposons enfin de nouvelles pistes pour de futures améliorations et optimisations de ces couches basses des piles réseau spécialisées, afin d’améliorer encore la fiabilité, les performances et la consommation énergétique des WSN. / In the field of wireless sensors networks (WSN), specialized network stacks have been a very active research field for many years. However, most of this research, especially on lower layers of the network stacks, did not go beyond theory. Their implementations have generally not been the subject of deep or systematic effort, especially within the framework of dedicated operating systems. We thus propose, in this thesis, to focus on interaction analysis between lower layers’ protocols and dedicated software platforms, and to optimize them, especially at the implementation level. We first review and evaluate the various dedicated operating systems, and choose the one offering the necessary features to implement efficient and innovative MAC/RDC protocols. We then study, improve and optimize these lower layers of specialized stacks, and show, with an actual implementation of one of our advanced MAC/RDC protocols, that we can bring significant improvements in the quality of service (QoS) of WSNs, especially under heavy network traffic. We also report inaccuracies in Cooja/MSPSim simulations/emulations, and analyze the reliability issues caused by the use of this tool for performing evaluations (especially time-related) of WSNs. We finally propose some new leads for future enhancements and optimizations of the lower layers of these specialized network stacks, in order to further improve the liability, performances and energy consumption of WSNs.

L'objectif de la thèse est d'étudier la variation temporelle de la qualité des liens dans les réseaux de capteurs sans fil à grande échelle, de concevoir des estimateurs permettant la différenciation, à court terme et long terme, entre liens de qualité hétérogène. Tout d'abord, nous étudions les caractéristiques de deux paramètres de la couche physique: RSSI (l'indicateur de puissance du signal reçu) et LQI (l'indicateur de la qualité de liaison) sur SensLab, une plateforme expérimentale de réseau de capteurs à grande échelle situé à l'intérieur de bâtiments. Nous observons que le RSSI et le LQI permettent de discriminer des liens de différentes qualités. Ensuite, pour obtenir un estimateur de PRR, nous avons approximé le diagramme de dispersion de la moyenne et de l'écart-type du LQI et RSSI par une fonction Fermi-Dirac. La fonction nous permet de trouver le PRR à partir d'un niveau donné de LQI. Nous avons évalué l'estimateur en calculant le PRR sur des fenêtres de tailles variables et en le comparant aux valeurs obtenues avec l'estimateur. Par ailleurs, nous montrons en utilisant le modèle de Gilbert-Elliot (chaîne de Markov à deux états) que la corrélation des pertes de paquets dépend de la catégorie de lien. Le modèle permet de distinguer avec précision les différentes qualités des liens, en se basant sur les probabilités de transition dérivées de la moyenne et de l'écart-type du LQI. Enfin, nous proposons un modèle de routage basé sur la qualité de lien déduite de la fonction de Fermi-Dirac approximant le PRR et du modèle Markov Gilbert-Elliot à deux états. Notre modèle est capable de distinguer avec précision les différentes catégories de liens ainsi que les liens fortement variables. / The goal of the thesis is to investigate the issues related to the temporal link quality variation in large scale WSN environments, to design energy efficient link quality estimators able to distinguish among links with different quality on a short and a long term. First, we investigate the characteristics of two physical layer metrics: RSSI (Received Signal Strength Indication) and LQI (Link Quality Indication) on SensLAB, an indoor large scale wireless sensor network testbed. We observe that RSSI and LQI have distinct values that can discriminate the quality of links. Second, to obtain an estimator of PRR, we have fitted a Fermi-Dirac function to the scatter diagram of the average and standard variation of LQI and RSSI. The function enables us to find PRR for a given level of LQI. We evaluate the estimator by computing PRR over a varying size window of transmissions and comparing with the estimator. Furthermore, we show using the Gilbert-Elliot two-state Markov model that the correlation of packet losses and successful receptions depend on the link category. The model allows to accurately distinguish among strongly varying intermediate links based on transition probabilities derived from the average and the standard variation of LQI. Finally, we propose a link quality routing model driven from the F-D fitting functions and the Markov model able to discriminate accurately link categories as well as high variable links.

Das drahtlose Sensornetzwerk (WSN) ist eine Technologie, die Umgebungsbedingungen oder physikalische Parameter misst, weiterleitet und per Fernüberwachung zur Verfügung stellt. Normalerweise werden die Sensorknoten, die diese Netzwerke bilden, von Batterien gespeist. Diese sollen aus verschiedenen Gründen nicht mehr verwendet werden, sondern es wird auf eine eigenständige Stromversorgung gesetzt. Dies soll den aufwendigen Austausch und die Wartung minimieren. Energy Harvesting kann mit den Knoten verwendet werden, um die Batterien zu unterstützen und die Lebensdauer der Netzwerke zu verlängern. Aufgrund der hohen Leistungsdichte der Solarenergie im Vergleich zu verschiedenen anderen Umweltenergien sind Solarzellen die am häufigsten eingesetzten Wandler, allerdings stellt die schwankende und intermittierende Natur der Solarenergie eine Herausforderung dar, einen funktionalen und zuverlässigen Sensorknoten zu versorgen. Um den Sensorknoten effektiv zu betreiben, sollte sein Energieverbrauch sinnvoll gesteuert werden. Ein interessanter Ansatz zu diesem Zweck ist die Steuerung der Aktivitäten des Knotens in Abhängigkeit von der zukünftig verfügbaren Energie. Dies erfordert eine Vorhersage der wandelbaren Sonnenenergie für die kommenden Betriebszeiten einschließlich der freien Zeiten der Sonne. Einige Vorhersagealgorithmen wurden mit stochastischen und statistischen Prinzipien sowie mit Methoden der künstlichen Intelligenz (KI) erstellt. Durch diese Algorithmen bleibt ein erheblicher Vorhersagefehler von 5-70%, der den zuverlässigen Betrieb der Knoten beeinträchtigt. Beispielsweise verwenden die stochastischen Methoden einen diskreten Energiezustand, der meist nicht zu den tatsächlichen Messwerten passt. Die statistischen Methoden verwenden einen Gewichtungsfaktor für die zuvor registrierten Messwerte. Daher sind sie nur geeignet, um Energieprofile bei konstanten Wetterbedingungen vorherzusagen. KI-Methoden erfordern große Beobachtungen im Trainingsprozess, die den benötigten Speicherplatz erhöhen. Dementsprechend ist die Leistung hinsichtlich der Vorhersagegenauigkeit dieser Algorithmen nicht ausreichend. In dieser Arbeit wird ein Vorhersagealgorithmus mit einem neuronalen Netzwerk entwickelt und eingebunden in einen Mikrocontroller, um die Verwaltung des Energieverbrauchs von solarzellengesteuerten Sensorknoten zu optimieren. Das verwendete neuronale Netzwerk wurde mit einer Kombination aus meteorologischen und statistischen Eingangsparametern realisiert. Dies hat zum Ziel, die erforderlichen Designkriterien für Sensorknoten zu erfüllen und eine Leistung zu erreichen, die in ihrer Genauigkeit die Leistung der oben genannten traditionellen Algorithmen übersteigt. Die Vorhersagegenauigkeit die durch den Korrelationskoeffizienten repräsentiert wird, wurde für das entwickelte neuronale Netzwerk auf 0,992 bestimmt. Das genaueste traditionelle Netzwerk erreicht nur einen Wert von 0,963. Das entwickelte neuronale Netzwerk wurde in einen Prototyp eines Sensorknotens integriert, um die Betriebszustände oder -modi über einen Simulationszeitraum von einer Woche anzupassen. Während dieser Zeit hat der Sensorknoten 6 Stunden zusätzlich im Normalbetrieb gearbeitet. Dies trug dazu bei, eine effektive Nutzung der verfügbaren Energie um ca. 3,6% besser zu erfüllen als das genaueste traditionelle Netz. Dadurch wird eine längere Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Sensorknotens erreicht. / Wireless Sensor Network (WSN) is a technology that measures an environmental or physical parameters in order to use them by decision makers with a possibility of remote monitoring. Normally, sensor nodes that compose these networks are powered by batteries which are no longer feasible, especially when they used as fixed and standalone power source. This is due to the costly replacement and maintenance. Ambient energy harvesting systems can be used with these nodes to support the batteries and to prolong the lifetime of these networks. Due to the high power density of solar energy in comparison with different environmental energies, solar cells are the most utilized harvesting systems. Although that, the fluctuating and intermittent nature of solar energy causes a real challenge against fulfilling a functional and reliable sensor node. In order to operate the sensor node effectively, its energy consumption should be well managed. One interesting approach for this purpose is to control the future node’s activities according to the prospective energy available. This requires performing a prior prediction of the harvestable solar energy for the upcoming operation periods including the sun’s free times. A few prediction algorithms have been created using stochastic and statistical principles as well as artificial intelligence (AI) methods. A considerable prediction error of 5-70% is realized by these algorithms affecting the reliable operation of the nodes. For example, the stochastic ones use a discrete energy states which are mostly do not fit the actual readings. The statistical methods use a weighting factors for the previous registered readings. Thus, they are convenient only to predict energy profiles under consistent weather conditions. AI methods require large observations to be used in the training process which increase the memory space needed. Accordingly, the performance concerning the prediction accuracy of these algorithms is not sufficient. In this thesis, a prediction algorithm using a neural network has been proposed and implemented in a microcontroller for managing energy consumption of solar cell driven sensor nodes. The utilized neural network has been developed using a combination of meteorological and statistical input parameters. This is to meet a required design criteria for the sensor nodes and to fulfill a performance exceeds in its accuracy the performance of aforementioned traditional algorithms. The prediction accuracy represented by the correlation coefficient has been registered for the developed neural network to be 0.992, which increases the most accurate traditional network which has a value 0.963. The developed neural network has been embedded into a sensor node prototype to adjust the operating states or modes over a simulation period of one week. During this period, the sensor node has worked 6 hours more towards normal operation mode. This in its role helped to fulfill an effective use of available energy approximately 3.6% better than the most accurate traditional network. Thus, longer lifetime and more reliable sensor node.

Ubiquitous Sensor Network (USN) est un réseau conceptuel construit sur des réseaux physiques existantes. Il se sert des données détectées et fournit des services de connaissances à quiconque, n'importe où et à tout moment, et où l'information est générée en utilisant la sensibilité au contexte. Dispositifs et USN portables intelligents émergent rapidement en offrant de nombreux services fiables facilitant la vie des gens. Ces petits terminaux et terminaux très utiles besoin d'un substrat de communication globale pour fournir un service complet de l'utilisateur final global. En 2010, ITU -T a fourni les exigences pour supporter des applications et services USN dans le Next Generation Network (NGN) de l'environnement d'exploiter les avantages du réseau de base. L'un des principaux marchés prometteurs pour l'application et les services USN est la e- santé. Il fournit le suivi des patients en continu et permet une grande amélioration dans les services médicaux. D'autre part, des Véhicules Ad-hoc NETwork (VANET) est une technologie émergente qui permet une communication intelligente entre les véhicules mobiles. Intégrer VANET avec USN a un grand potentiel pour améliorer la sécurité routière et la fluidité du trafic. La plupart des applications VANET sont appliqués en temps réel et ils sont sensibles à retarder, en particulier ceux liés à la sécurité et à la santé. Dans ce travail, nous proposons d'utiliser l'IP Multimédia Subsystem (IMS) comme une sous- couche de contrôle de service dans l'environnement USN fournir un substrat mondiale pour un service complet de bout en bout. De plus, nous vous proposons d'intégrer VANETs avec USN pour des applications et des installations riches plus, ce qui facilitera la vie des humains. Nous avons commencé à étudier les défis sur la route pour atteindre cet objectif / Ubiquités Sensor Network (USN) is a conceptual network built over existing physical networks. It makes use of sensed data and provides knowledge services to anyone, anywhere and at anytime, and where the information is generated by using context awareness. Smart wearable devices and USNs are emerging rapidly providing many reliable services facilitating people life. Those very useful small end terminals and devices require a global communication substrate to provide a comprehensive global end user service. In 2010, the ITU-T provided the requirements to support USN applications and services in the Next Génération Network (NGN) environment to exploit the advantages of the core network. One of the main promising markets for the USN application and services is the e-Health. It provides continuous patients’ monitoring and enables a great improvement in medical services. On the other hand, Vehicular Ad-Hoc NETwork (VANET) is an emerging technology, which provides intelligent communication between mobile vehicles. Integrating VANET with USN has a great potential to improve road safety and traffic efficiency. Most VANET applications are applied in real time and they are sensitive to delay, especially those related to safety and health. In this work, we propose to use IP Multimedia Subsystem (IMS) as a service controller sub-layer in the USN environment providing a global substrate for a comprehensive end-to-end service. Moreover, we propose to integrate VANETs with USN for more rich applications and facilities, which will ease the life of humans. We started studying the challenges on the road to achieve this goal

The aim of this project was to produce an integrate-able free space optical transceiver for Specks. Specks are tiny computing units that together can form a powerful network called a SpeckNet. The SpeckNet platform is developed by the SpeckNet consortium, which consists of five Scottish Universities and combines computer science, electrical engineering and digital signal processing groups. The principal goal of creating an optical transceiver was achieved by integrating in-house fabricated VCSELs (with lasing thresholds below 400 uA) and custom designed detectors on the SpeckNet platform. The transceiver has a very low power consumption (approximately 100 uW), which removes the need for synchronous communication through the SpeckNet thus making the network more efficient. I describe both static and dynamic beam control techniques. For static control, I used micro-lenses. I fabricated the lenses by greyscale electron beam lithography and integrated them directly on VCSEL arrays. I achieved a steering angle of 10 degrees with this design. I also looked at integrated gratings etched straight into a VCSEL and observed beam steering with an efficiency of 60% For dynamic control, I implemented a liquid crystal (LC) design. I built a LC cell with 30 individually controlled pixels, but I only achieved a steering angle of 1 degree. Furthermore, I investigated two different techniques for achieving beam steering by interference, using coupled VCSELs (a phased array approach). Firstly, using photonic crystals etched into the surface of the VCSEL, I built coupled laser cavities. Secondly, I designed and built bow-tie type VCSELs that were optically coupled but electrically isolated. These designs work by differential current injection causing an interference effect in the VCSELs far field. This technique is the first stepping stone towards realising a phased optical array. Finally, I considered signal detection. Using the same VCSEL material, I built a resonant-cavity detector. This detector had a better background rejection ratio than commercially available silicon devices.

Dans cette thèse, nous proposons une méthodologie de conception d’architectures de communication dédiées aux réseaux de capteurs basées sur la technique de radio impulsionnelle pour les transmissions ultralarge bande (ULB). La technique impulsionnelle proposée ici repose sur la modulation de forme d’impulsion. L’approche de conception architecturale présentée dans cette thèse se focalise plus particulièrement sur la forme des impulsions et leur génération, qui revêt un intérêt majeur puisqu’elle constitue le support de l’information échangée. L’étude sur le choix de la forme d’impulsion nous a conduit à proposer deux architectures différentes. Une première architecture repose sur les polynômes orthogonaux, et plus particulièrement sur les polynômes d’Hermite, pour la génération des impulsions, et sur une architecture de corrélation pour la détection et la reconnaissance des trains d’impulsions transmis. La deuxième architecture est basée sur la transformée en paquets d’ondelettes discrète et peut être exploitée selon deux modes d’utilisation différents, mono et multiutilisateurs. L’utilisation d’une architecture de synthèse à l’émission et d’analyse à la réception ouvre une nouvelle orientation pour les communications numériques, permettant à la transformée en ondelettes d’assurer à la fois la génération des impulsions à l’émission et leur reconnaissance à la réception. Un intérêt immédiat de la technique proposée permet notamment de faciliter l’accès multiutilisateurs au canal ultralarge bande, et d’autoriser des communications simultanées (Many-to-one, des nœuds vers le puits) ou du broadcast (One-to-many, du puits vers les nœuds) sans surcharger la couche MAC. L’architecture proposée s’inscrit donc à l’interface des couches PHY et MAC et permet de relâcher les contraintes de conception spécifiques à ces couches / In this thesis, we propose a design methodology for communication architectures dedicated to wireless sensor network based on impulse radio techniques for UWB communications. The impulse technique proposed in this work relies on pulse shape modulation. The architecture design approach proposed in this thesis focuses on pulses shape and their generation, which is of major interest as it constitutes the carrier of the information exchanged. The study on the choice of pulse shape led us to propose two different architectures. The first one is based on orthogonal polynomials, more especially on the Hermite polynomials, for impulse generation, and on a correlation architecture for detection and recognition of transmitted impulses. The second architecture is based on discrete wavelet packet transform and can be used according two different modes, mono and multi-users. The use of both synthesis and analysis architectures for emitter and receiver, respectively, offers a new way for digital communications and allows the wavelet transform to ensure the impulses generation on the transmitter and their recognition on the receiver. A major interest point of the proposed technique is to facilitate the multi-users access to the ultra-wideband channel and to allow simultaneous communications (many-to-one, from the sensors to the sink) or broadcast (one-to-many, from the coordinator to the nodes) but without overloading the MAC layer. Hence, the proposed architecture is part of the interface between both PHY and MAC layers, and allows to release their specific design constraints