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Wireless sensor networks are now a mature technology that can be deployed in a wide range of applications, including environmental monitoring. The energy constraints of this type of network have led to the emergence of two main classes of solutions: those that prioritize throughput at the expense of the range of radio links and those that aim to collect data over large areas but with low and constrained throughputs. Nevertheless, there is an application domain for which data collection is both demanding in terms of radio link range and supported data rate. This thesis addresses this domain, at the interface of existing solution classes, to satisfy applications requiring frequent data collection that must respect a freshness constraint. In this context, our research focuses on the use of a switchable beam antenna equipping the collection point or sink of a wireless sensor network, allowing to emulate a star topology. Each node around the collection point can be reached by at least one of the allowed lobe orientations of such an antenna. The use of this type of antenna has strong impacts on the lower layers (physical and link in particular) of the protocol stack of this new class of solution. This antenna indeed allows to increase the radio range, to be more robust against interferences and obstacles on the signal path, but this at the expense of the intermittence of the connectivity of the nodes of the star. A node is within range of the sink in at least one of the partial topologies induced by the antenna lobe orientation, this point has a strong impact on the MAC layer specifications of such a network. The two main contributions of this thesis are to specify on the one hand the discovery phase of the sink neighborhood which must be executed within an acceptable time frame, and on the other hand to proceed to a frequent data collection constrained by an expiration date. Different variants of these specifications are proposed, based on a grouped polling selecting. They have been partially validated by a theoretical approach and more globally by a simulation via Cooja/Contiki OS. The results obtained show the impact of the proposed mechanisms on the frequency of collection and the freshness of the collected data.; Les réseaux de capteurs sans fils disposent aujourd’hui d’une technologie arrivée à maturité qui leur permet d’être déployés dans de très nombreux domaines applicatifs y compris celui de la surveillance environnementale. Les contraintes énergétiques de ce type de réseaux ont fait émerger deux grandes classes de solutions : celles privilégiant le débit au détriment de la portée des liens radio et celles visant une collecte de données sur de grandes étendues mais avec des débits faibles et contraints. Il existe néanmoins un domaine applicatif pour lequel la collecte de données est à la fois exigeante en portée des liens radio et en débit supporté. Cette thèse s’adresse à ce domaine, à l’interface des classes de solutions existantes, pour satisfaire des applications nécessitant une collecte fréquente de données devant respecter une contrainte de fraîcheur. Dans cette optique, notre recherche est centrée sur l’usage d’une antenne à faisceau commutable équipant le point de collecte ou puits d’un réseau de capteurs sans fils, permettant d’émuler une topologie en étoile. Chaque nœud autour du point de collecte peut être atteint par au moins une des orientations permises du lobe d’une telle antenne. L’usage de ce type d’antenne a des incidences fortes sur les couches basses (physique et liaison notamment) de la pile protocolaire de cette nouvelle classe de solution. Cette antenne permet en effet d’augmenter la portée radio, d’être plus robuste face aux interférences et aux obstacles sur le trajet du signal, mais cela au détriment de l’intermittence de la connectivité des nœuds de l’étoile. Un nœud est à portée du puits de collecte dans au moins une des topologies partielles induites par l’orientation du lobe de l’antenne, ce point a une incidence forte sur les spécifications de la couche MAC d’un tel réseau. Les deux principales contributions de cette thèse sont de spécifier d’une part la phase de découverte du voisinage du puits qui doit s’exécuter dans un délai acceptable, et d’autre part de procéder à une collecte fréquente de données contraintes par une date de péremption. Différentes variantes de ces spécifications sont proposées, elles s’inspirent d’un polling selecting groupé (grouped polling). Elles ont été validées partiellement par une approche théorique et plus globalement par une simulation via Cooja/Contiki OS. Les résultats obtenus font la preuve de l’incidence des mécanismes proposés sur la fréquence de la collecte et la fraîcheur des données récoltées.

Wireless sensor networks are now a mature technology that can be deployed in a wide range of applications, including environmental monitoring. The energy constraints of this type of network have led to the emergence of two main classes of solutions: those that prioritize throughput at the expense of the range of radio links and those that aim to collect data over large areas but with low and constrained throughputs. Nevertheless, there is an application domain for which data collection is both demanding in terms of radio link range and supported data rate. This thesis addresses this domain, at the interface of existing solution classes, to satisfy applications requiring frequent data collection that must respect a freshness constraint. In this context, our research focuses on the use of a switchable beam antenna equipping the collection point or sink of a wireless sensor network, allowing to emulate a star topology. Each node around the collection point can be reached by at least one of the allowed lobe orientations of such an antenna. The use of this type of antenna has strong impacts on the lower layers (physical and link in particular) of the protocol stack of this new class of solution. This antenna indeed allows to increase the radio range, to be more robust against interferences and obstacles on the signal path, but this at the expense of the intermittence of the connectivity of the nodes of the star. A node is within range of the sink in at least one of the partial topologies induced by the antenna lobe orientation, this point has a strong impact on the MAC layer specifications of such a network. The two main contributions of this thesis are to specify on the one hand the discovery phase of the sink neighborhood which must be executed within an acceptable time frame, and on the other hand to proceed to a frequent data collection constrained by an expiration date. Different variants of these specifications are proposed, based on a grouped polling selecting. They have been partially validated by a theoretical approach and more globally by a simulation via Cooja/Contiki OS. The results obtained show the impact of the proposed mechanisms on the frequency of collection and the freshness of the collected data., Les réseaux de capteurs sans fils disposent aujourd’hui d’une technologie arrivée à maturité qui leur permet d’être déployés dans de très nombreux domaines applicatifs y compris celui de la surveillance environnementale. Les contraintes énergétiques de ce type de réseaux ont fait émerger deux grandes classes de solutions : celles privilégiant le débit au détriment de la portée des liens radio et celles visant une collecte de données sur de grandes étendues mais avec des débits faibles et contraints. Il existe néanmoins un domaine applicatif pour lequel la collecte de données est à la fois exigeante en portée des liens radio et en débit supporté. Cette thèse s’adresse à ce domaine, à l’interface des classes de solutions existantes, pour satisfaire des applications nécessitant une collecte fréquente de données devant respecter une contrainte de fraîcheur. Dans cette optique, notre recherche est centrée sur l’usage d’une antenne à faisceau commutable équipant le point de collecte ou puits d’un réseau de capteurs sans fils, permettant d’émuler une topologie en étoile. Chaque nœud autour du point de collecte peut être atteint par au moins une des orientations permises du lobe d’une telle antenne. L’usage de ce type d’antenne a des incidences fortes sur les couches basses (physique et liaison notamment) de la pile protocolaire de cette nouvelle classe de solution. Cette antenne permet en effet d’augmenter la portée radio, d’être plus robuste face aux interférences et aux obstacles sur le trajet du signal, mais cela au détriment de l’intermittence de la connectivité des nœuds de l’étoile. Un nœud est à portée du puits de collecte dans au moins une des topologies partielles induites par l’orientation du lobe de l’antenne, ce point a une incidence forte sur les spécifications de la couche MAC d’un tel réseau. Les deux principales contributions de cette thèse sont de spécifier d’une part la phase de découverte du voisinage du puits qui doit s’exécuter dans un délai acceptable, et d’autre part de procéder à une collecte fréquente de données contraintes par une date de péremption. Différentes variantes de ces spécifications sont proposées, elles s’inspirent d’un polling selecting groupé (grouped polling). Elles ont été validées partiellement par une approche théorique et plus globalement par une simulation via Cooja/Contiki OS. Les résultats obtenus font la preuve de l’incidence des mécanismes proposés sur la fréquence de la collecte et la fraîcheur des données récoltées.

The need of new services in railway trains (services for metering, energy efficiency, the comfort and safety of users etc.) may eventually saturate the wired communication systems installed since twenty years ago years. The several advantages of wireless sensor networks (easy deployment, ability to adapt on different environments and low energy consumption) offer many possibilities for energy management systems. The aim of this thesis is to study and implement a wireless network sensors inside trains for energy efficiency. Thus, some communication protocols dedicated to energy management were presented and then a comparative study of the various wireless communication networks carried out. This comparative study shows that the ZigBee network is the most suitable for the platform. The proposed hybrid architecture allows the use of the existing IP network as the backbone of all ZigBee networks. In order to take into account the effect of the railway environment in the planning and deployment of the network, a study of the propagation channel was carried out, based on measurements realized in a subway and a RER car. The impact of the coexistence between ZigBee and WiFi and of the human presence on wireless communication have been demonstrated. The prototype of a platform based on the ZigBee network, allows data collection, informations traitement and monitoring, was carried out.; Les besoins de nouveaux services dans les rames ferroviaires ( le comptage, l’efficience énergétique, le confort et la sécurité des passagers etc.), risquent de saturer à terme les systèmes de communication filaires mis en place il y a une vingtaine d’années. Les réseaux de capteurs sans fil, par leurs avantages (déploiement facile, capacité à s’adapter à plusieurs types d’environnements, faible consommation d’énergie), ouvrent de nombreuses perspectives pour les systèmes de gestion énergétique. Le but de ce travail de thèse est d’étudier et mettre en oeuvre un réseau de capteurs sans fil à l’intérieur des trains pour l’efficience énergétique. Ainsi, quelques protocoles de communication dédiés à la gestion énergétique ont été présentés puis une étude comparative des différents réseaux de communication sans fil réalisée. Cette étude comparative a permis de faire le choix du réseau ZigBee comme étant le plus adéquat pour la plateforme. L’architecture hybride proposée permet l’utilisation du réseau IP existant comme colonne vertébrale de l’ensemble des réseaux ZigBee. Afin de tenir compte de l’effet de l’environnement ferroviaire dans la planification et le déploiement du réseau, une étude du canal de propagation, basée sur des mesures réalisées dans un métro et un wagon de RER a été menée. L’impact de la coexistence entre le ZigBee et le WiFi et de la présence humaine sur la communication du réseau sans fil a été démontré. Le prototype d’une plateforme basée sur le réseau ZigBee allant de la collecte des données à l’affichage des informations a été réalisé et testé.

The need of new services in railway trains (services for metering, energy efficiency, the comfort and safety of users etc.) may eventually saturate the wired communication systems installed since twenty years ago years. The several advantages of wireless sensor networks (easy deployment, ability to adapt on different environments and low energy consumption) offer many possibilities for energy management systems. The aim of this thesis is to study and implement a wireless network sensors inside trains for energy efficiency. Thus, some communication protocols dedicated to energy management were presented and then a comparative study of the various wireless communication networks carried out. This comparative study shows that the ZigBee network is the most suitable for the platform. The proposed hybrid architecture allows the use of the existing IP network as the backbone of all ZigBee networks. In order to take into account the effect of the railway environment in the planning and deployment of the network, a study of the propagation channel was carried out, based on measurements realized in a subway and a RER car. The impact of the coexistence between ZigBee and WiFi and of the human presence on wireless communication have been demonstrated. The prototype of a platform based on the ZigBee network, allows data collection, informations traitement and monitoring, was carried out.; Les besoins de nouveaux services dans les rames ferroviaires ( le comptage, l’efficience énergétique, le confort et la sécurité des passagers etc.), risquent de saturer à terme les systèmes de communication filaires mis en place il y a une vingtaine d’années. Les réseaux de capteurs sans fil, par leurs avantages (déploiement facile, capacité à s’adapter à plusieurs types d’environnements, faible consommation d’énergie), ouvrent de nombreuses perspectives pour les systèmes de gestion énergétique. Le but de ce travail de thèse est d’étudier et mettre en oeuvre un réseau de capteurs sans fil à l’intérieur des trains pour l’efficience énergétique. Ainsi, quelques protocoles de communication dédiés à la gestion énergétique ont été présentés puis une étude comparative des différents réseaux de communication sans fil réalisée. Cette étude comparative a permis de faire le choix du réseau ZigBee comme étant le plus adéquat pour la plateforme. L’architecture hybride proposée permet l’utilisation du réseau IP existant comme colonne vertébrale de l’ensemble des réseaux ZigBee. Afin de tenir compte de l’effet de l’environnement ferroviaire dans la planification et le déploiement du réseau, une étude du canal de propagation, basée sur des mesures réalisées dans un métro et un wagon de RER a été menée. L’impact de la coexistence entre le ZigBee et le WiFi et de la présence humaine sur la communication du réseau sans fil a été démontré. Le prototype d’une plateforme basée sur le réseau ZigBee allant de la collecte des données à l’affichage des informations a été réalisé et testé.

Privacy notion is frequently linked with cyber attack examples by media and scientific researches. In 2012, the hacking of 12 millions Apple user identifiers demonstrates that connected objects represent leaks exploited by hackers to access to user personal data. In this thesis, we will extend the privacy notion to the objects. To do this, we will show that in wireless sensor networks where communications are carried out from machine-to-machine, the knowledge of the static addresses of the devices within the network discloses information allowing deduction about elements of context and environment.Nowadays, the wireless communication standards provide security mechanisms whatever the communication protocols used including the low power ones designed to run on constrained environment. However, the frame header that comprises necessary information for routing and for the proper functioning of the network is always sent in clear text. Collecting and gathering these metadata by eavesdropping is dangerous for the environments and applications based on these networks.The work carried out in this thesis aims to explore how simple passive attacks on meshed networks based on IEEE 802.15.4 used to collect and exploit metadata allow to infer critical information about the network, the environment where the network is deployed and the behavior of users. Two kinds of solutions to hide the node addresses are studied. The first one provides anonymity for the devices. In the second kind of solutions, pseudonyms are used by nodes enabling the capability to audit the traffic within the network.To evaluate the characteristics and the performances of the solutions, a simulator has been used to reproduce the behavior of a meshed wireless sensor network embedding Contiki OS. This simulator allows to compare the performances of MT6D the most promising solution of our state of the art with that of a reference network do not mask the metadata. With this analyze, we can highlight some drawbacks and more especially the control frames overhead needed for the routing. We give the necessary specifications to deploy the most optimal solution for the embedded devices.Thus we propose Ephemeral that allows hiding device addresses provided in the sent frames by using pseudonyms without overhead on the control frames. After deployment in the simulation environment to evaluate expected theoretical performances, Ephemeral has been tested in real environment. The network is made up of twenty IEEE 802.15.4 sensor nodes deployed on a building. The results show that Ephemeral is an efficient low power and bandwidth-saving solution to hide device identifiers used in wireless communications.; Les médias et de nombreuses études scientifiques évoquent fréquemment la notion de vie privée en lien avec des exemples de cyber attaques. Le vol par des hackers de 12 millions d’identifiants d’utilisateurs Apple en 2012 illustre que les objets communicants sont des maillons vulnérables exploités par les hackers pour accéder aux données personnelles des usagers. Dans cette thèse, nous allons étendre la notion de vie privée aux objets eux-mêmes, au-delà des utilisateurs, en montrant que dans des réseaux de capteurs sans fil où les communications ont lieu de machine à machine, la connaissance des adresses fixes des différents appareils constituant le réseau représente une source d’information permettant de déduire beaucoup d’éléments de contexte et d’environnement.Actuellement, tous les standards de communication sans fil intègrent la capacité de sécuriser les données transportées, y compris les protocoles de communication dédiés aux réseaux de capteurs, conçus pour fonctionner en milieu contraint et à basse consommation. Cependant, l’en-tête des trames envoyées sur l’air comportant les informations nécessaires au routage et au bon fonctionnement du réseau, figure toujours en texte clair. La collecte de ces métadonnées par écoute passive représente un danger pour les environnements et les applications qui font usage de ces réseaux.Le travail mené dans cette thèse a pour objectif d’explorer comment de simples attaques passives sur des réseaux meshés basés sur le standard IEEE 802.15.4, visant à collecter et exploiter les métadonnées de ces trames échangées sur l’air, permettent d’inférer des informations critiques sur le réseau lui-même, l’environnement dans lequel il est déployé et les comportements des personnes qui en font usage. Plusieurs solutions visant à dissimuler les adresses des nœuds du réseau sont ensuite étudiées. Ces solutions sont de deux types : soit elles rendent anonymes les dispositifs empêchant de remonter à la source des messages, soit elles reposent sur l’utilisation de pseudonymes permettant de conserver la possibilité d’auditer le trafic.Afin d’évaluer les caractéristiques et les performances de ces solutions, un simulateur a été mis en œuvre afin de reproduire le comportement d’un réseau de capteurs meshés embarquant l’OS Contiki. Ce simulateur a permis d’évaluer la solution la plus prometteuse issue de l’état de l’art, nommée MT6D, en comparant ses performances avec un réseau de référence ne dissimulant pas les métadonnées. Cette analyse a fait ressortir certains inconvénients, en particulier l’augmentation importante des trames de contrôle nécessaires au routage, et a permis d’élaborer les spécifications d’une solution plus optimale pour l’embarqué.Nous avons ainsi introduit Ephemeral, qui présente la capacité de dissimuler les adresses des dispositifs dans les messages envoyés sur l’air, par l’usage de pseudonymes, sans augmenter la quantité de trames de contrôle indispensables au routage. Une fois mis en œuvre avec le simulateur afin de valider les performances théoriques attendues, Ephemeral est déployé en environnement réel sur un réseau de capteurs IEEE 802.15.4 équipant un bâtiment. Ce retour d’expérimentation permet de confirmer qu’Ephemeral constitue une solution économe du point de vue de la consommation d’énergie et de la bande passante du réseau, pour masquer les identifiants des dispositifs impliqués dans les communications.

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

The goal of the thesis is to enable IPv6 harvested and autonomous wireless sensor networks with very low duty-cycle. It is part of an industrial project, GreenNet, hosted by STMicroelectronics with the goal of being a pioneer in the Internet of Things. The new platform differentiates from its existing competitors by a small size, which implies small battery capacity. However, a photovoltaic cell is capable of recharging the battery even under low light conditions. On top of this, we aim at nodes that sleep for very long periods. Hence, the existing solutions were not completely suited for ourneeds.The thesis proposes to analyze the possible challenges that one can meet while developing a harvested low-duty cycle platform. The most important contribution of this work is that we implement and evaluate the performance of our solutions on real hardware platforms in conditions very close to real-life.In this dissertation, we first of all develop and implement a basic solution based on the IEEE 802.15.4 beacon-enabled standard. We choose the synchronized mode because it allows nodes to reach duty-cycles as low as 0.01%. A more difficult step was to bring multi-hop: we design new a routing scheme inside our network, and a time based access for routers and devices to eliminate interferences as much as possible. The routing scheme is meant to be simple and efficient.We go even further to optimize the total time the nodes are on: we proposed to shut down coordinators before their standardized end of slot when there is no communication. Devices that do not need to send data can skip beacons and only need to wake up to synchronize their clock or to send data. In the same time we solve the problem of multicast for long sleeping nodes by converting these packets into unicast traffic. We also improved the duty-cycle of routers that do no have associated devices by forcing them to beacon slower, as long as they do not have any associated devices.To improve the network performance we also propose a backward compatible multichannel solution. Such a scheme is useful when a link between two nodes achieve very bad performance on a certain channel but better results on a different frequency.All the solutions presented above and discussed in the dissertation were implemented and tested on the GreenNet platform. We also realized measurements of the nodes efficiency while in harvested conditions and showed that it is possible to handle harvested routers, when there is enough available light.; L’objectif de cette thèse est de développer un réseau IPv6 constitué de capteurs sans fils autonomes grâce à la récupération d’énergie, fonctionnant à faible rapport cyclique. Cette thèse s’inscrit dans un projet industriel, GreenNet, lancé par STMicroelectronics afin de se positionner sur le marché de l’Internet des Objets. La nouvelle plate-forme utilisée dans ce projet se différencie de ses concurrents par sa petite taille, ce qui implique une faible capacité de batterie. Une cellule photovoltaı̈que permet en revanche de recharger la batterie, y compris dans des conditions de luminosité faible. Pour atteindre l’autonomie, nous avons besoin que les nœuds dorment pour de très longues périodes. Par conséquent, les solutions existantes, bien que peu consommantes, ne sont pas complètement adaptées à nos besoins spécifiques.Dans cette thèse, nous proposons d’analyser les difficultés possiblement rencontrées pendant le développement d’une plate-forme à récupération d’énergie et de bas rapport cyclique. La contribution la plus importante de ce travail est de mettre en œuvre et d’évaluer le rendement de nos solutions sur des plates-formes matérielles dans des conditions très proches de la vie réelle.Une première étape du travail réalisée est la conception et l’implémentation de la norme IEEE 802.15.4 utilisant les balises pour maintenir la synchronisation. Nous choisissons le mode synchronisé car il permet aux nœuds d’atteindre des rapports cycliques aussi bas que 0,01%. La seconde étape est d’apporter le multi saut : nous proposons une optimisation du protocole de routage, ainsi qu’un contrôle d’accès par multiplexagetemporel pour les routeurs et les dispositifs afin d’éliminer les interférences.Nous allons même plus loin dans l’optimisation du temps où les nœuds sont allumés: nous proposons d’éteindre les coordinateurs avant la fin de leur période d’activité définie par le standard, lorsqu’il n’y a pas de communications. Les nœuds qui ne nécessitent pas d’envoyer des données peuvent sauter des balises et se réveiller seulement lorsqu’il est nécessaire de synchroniser les horloges, ou d’envoyer des données. Dans le même temps, nous résolvons le problème de multicast pour les nœuds qui dorment durant de longues périodes, en convertissant ces paquets en paquets unicast. Nous améliorons également le rapport cyclique de routeurs qui n’ont pas de nœuds associés en les forçant envoyer la balise moins souvent, tant qu’ils n’ont pas des nœuds associés.Pour améliorer la performance du réseau, nous proposons aussi une solution rétro compatible qui utilise plusieurs canaux. Un tel système est utile quand un lien entre deux nœuds subit de très mauvaise performance sur un certain canal fréquentiel, mais obtient de meilleurs résultats sur une fréquence différente.Toutes les solutions présentées ci-dessus, et discutées dans la dissertation ont été mises en œuvre et testées sur la plate-forme GreenNet. Nous avons également réalisé des mesures sur des nœuds pour vérifier leurs efficacité.

This thesis work takes part in the connected objects theme, also known as the Internet of Things (IoT). It emerges from the Internet democratization since the early 2000's and the shift to highly mobile devices, made possible by the miniaturization of embedded systems. In this context, the energy efficiency is mandatory since today's projections are around tens of billions of connected devices in 2020. However for ease of deployment and usage, a large part of the data transfers in these networks is wireless, which implementation represents a significant part of the power consumption. Indeed, the energy efficiency question is addressed in general as a fine tuning of hardware architectures, which is often associated with a favorable technology evolution. Nevertheless, this design paradigm quickly reached its limits since it necessary implies a highly constrained sizing to be compatible with the worst operating conditions, even if they are not effective most of the time. It's typically the case with wireless communications since the radio channel is a medium characterized by a strong variability due to propagations effects and interferences. Thus, our study focused on the design of a communication chain whose link budget can be dynamically tuned depending on the actual signal attenuation, in order to reduce the system power consumption. The thesis has contributed to the design of a self-adaptive receiver dedicated to IEEE 802.15.4 standard, by proposing both a reconfigurable digital baseband architecture and an automatic control method of the operating mode. More precisely, the work relied on two approaches, the compressive sampling and the partial sampling, to reduce the data's size to process, decreasing the internal activity of arithmetics operators. In return, the demodulation processing needs a higher SNR, degrading in the same time the receiver sensitivity and thus the link budget. This solution, implemented in an STMicroelectronics CMOS 65 nm LP process, offers a low hardware overhead compared to conventional architecture with only 23,4 kgates. Thanks to the circuit physical model that has been developed, the power consumption for a packet demodulation is estimated to 278 uW when the baseband is fully activated. It can however be gradually decreased down to 119 uW, corresponding to a sensitivity reduction of 10 dB. Thus, the proposed digital baseband and its control loop save 30 % of energy in average in a typical use case., Ces travaux de thèse s'inscrivent dans la thématique des objets connectés, désormais connue sous le nom de Internet of Things (IoT). Elle trouve son origine dans la démocratisation d'Internet depuis le début des années 2000 et la migration vers des appareils hautement mobiles, rendue possible grâce à la miniaturisation des systèmes embarqués. Dans ce contexte, l'efficacité énergétique est primordiale puisque les projections actuelles parlent de dizaines de milliards de composants connectés à l'horizon 2020. Or pour une question de facilité de déploiement et d'usage, une grande partie des échanges de données dans ces réseaux s'effectue via une liaison sans-fil dont l'implémentation représente une part importante de la consommation. Effectivement, la question de l'efficacité énergétique est en général considérée comme un problème de perfectionnement des architectures matérielles, souvent associé à une évolution favorable de la technologie. Toutefois, ce paradigme atteint rapidement ses limites puisqu'il implique nécessairement un dimensionnement fortement contraint pour être compatible avec les pires conditions d'utilisation, même si elles ne sont pas effectives la plupart du temps. C'est typiquement le cas avec les communications sans-fil puisque le canal radio est un milieu caractérisé par une forte variabilité en raison des phénomènes de propagation et de la présence d'interférences. Notre étude a donc porté sur la conception d'une chaîne de transmission dont le budget de liaison peut être dynamiquement modifié en fonction de l'atténuation réelle du signal, afin de réduire la consommation du système. La thèse a notamment contribué à la mise au point d'un récepteur auto-adaptatif spécifique à la norme IEEE 802.15.4, en proposant à la fois une architecture de modem numérique reconfigurable et à la fois une méthode de contrôle automatique du point de fonctionnement. Plus précisément, le travail s'est appuyé sur deux approches, l'échantillonnage compressif et l'échantillonnage partiel, pour réduire la taille des données à traiter, diminuant ainsi l'activité interne des opérateurs arithmétiques. En contrepartie, le processus de démodulation nécessite un SNR supérieur, dégradant la sensibilité du récepteur et donc le budget de liaison. Cette solution, portée sur une technologie STMicroelectronics CMOS 65 nm LP, offre une faible empreinte matérielle vis-à-vis d'une architecture classique avec seulement 23,4 kcellules. Grâce au modèle physique du circuit qui a été développé, la consommation pour la démodulation d'un paquet est estimée à 278 uW lorsque le modem est intégralement utilisé. Elle peut toutefois être abaissée progressivement jusqu'à 119 uW, correspondant à une baisse de la sensibilité de 10 dB. Ainsi, le modem implémenté et sa boucle de contrôle permettent d'économiser en moyenne 30 % d'énergie dans un cas d'utilisation typique.

In the last years, Wireless Sensor Networks ‘WSN’ knew a tremendous evolution which attracted many applications. WSN has several characteristics that make it a unique research field, such as, WSN nodes’ constraints and the unreliable (lossy) wireless communication. The IEEE 802.15.4 standard is the first standard designed for this type of networks known as LR-WPANs ‘Low-Rate Wireless Personal Area Network’. The energy conservation mechanism proposed by the current standard is quite efficient and very flexible. This flexibility comes from the ability to configure different duty cycles to meet specific applications’ requirements. However, this mechanism has a considerable impact on the end-to-end delay. Our approach resolves the energy/delay trade-off by avoiding the storage of the real-time data in the coordinator during sleep time, more particularly in Multi-source Multi-sink networks. A new superframe structure is adopted and a deterministic reception scheduling is used. In this thesis, we also proposed a new WPAN model for the Network Simulator 3 ‘NS-3’., Le monde des réseaux de capteurs sans fil ‘RCSF’ a connu de grands progrès au cours de ces dernières années. Ainsi, les RCSF ont pu intégrer divers champs d’application (environnement, militaire, médecine, domotique ...) dont quelques-uns ayant des exigences en termes de qualité de service ‘QdS’. Cependant, la garantie de la QdS dans un RCSF pose des problèmes de recherche non triviaux, à cause de la nature peu fiable de la communication sans fil et des limitations des ressources des nœuds RCSF (processeur, mémoire, énergie ...). Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes focalisés sur les protocoles MAC afin d’améliorer le support de QdS dans les RCSF. Plus particulièrement, le standard IEEE 802.15.4. Les mécanismes de conservation d’énergie proposés par ce standard sont efficaces et présentent une flexibilité par rapport aux besoins des applications. Néanmoins, le temps de sommeil des nœuds affecte considérablement le délai de communication, donnant naissance à un compromis énergie/délai. Pour résoudre ce problème, nous avons amélioré ce standard pour un meilleur support des applications temps-réel. L’approche proposée permet de réduire le délai de communication de manière significative, même pour de faibles rapports cycliques, grâce au nouveau format de la supertrame. Les performances ont été validées par simulation et sur des plateformes de nœuds RCSF réelles. Nous avons proposé également un modèle de simulation pour le standard IEEE 802.15.4 sous le simulateur NS-3.

The increasing number and complexity of applications that are embedded into wireless mobilecommunicating devices (mobile phone, PDA, etc.) implies an increase of energy consumption. In order tolimit the impact of pollution due to battery waste and CO2 emission, it is important to conduct an optimization ofthe energy consumption of these communicating end devices. This thesis focuses on energy efficiency in sensor networks. It proposes new approaches to handle mobile communicating objects. First, we propose a global sensor network architecture and a new energy-efficient mobility management approach for IEEE 802.15.4/ZigBee end devices. This new approach is based on the link quality estimator (LQI) and uses a speculative algorithm. We propose and evaluate two different speculative algorithms. Then, we study and evaluate the energy efficiency when using a rate adaptation algorithm that takes into account the communication channel conditions. We first propose a mobility-aware rate adaptation algorithm and evaluate its efficiency in our network architecture. Then, we propose and evaluate a hybrid rate adaptation algorithm that relies on more accurate link channel estimation. Simulations conducted all along this study show the energy-efficiency of our proposed approaches and the improvement of the nodes’ connectivity.; Le nombre et la complexité croissante des applications qui sont intégrées dans des objets mobiles communicants sans fil (téléphone mobile, PDA, etc.) implique une augmentation de la consommation d'énergie. Afin de limiter l'impact de la pollution due aux déchets des batteries et des émissions de CO2, il est important de procéder à une optimisation de la consommation d'énergie de ces appareils communicants. Cette thèse porte sur l'efficacité énergétique dans les réseaux de capteurs. Dans cette étude, nous proposons de nouvelles approches pour gérer efficacement les objets communicants mobiles. Tout d’abord, nous proposons une architecture globale de réseau de capteurs et une nouvelle approche de gestion de la mobilité économe en énergie pour les appareils terminaux de type IEEE 802.15.4/ZigBee. Cette approche est basée sur l'indicateur de la qualité de lien (LQI) et met en oeuvre un algorithme spéculatif pour déterminer le prochain coordinateur. Nous avons ainsi proposé et évalué deux algorithmes spéculatifs différents. Ensuite, nous étudions et évaluons l'efficacité énergétique lors de l'utilisation d'un algorithme d'adaptation de débit prenant en compte les conditions du canal de communication. Nous proposons d'abord une approche mixte combinant un nouvel algorithme d'adaptation de débit et notre approche de gestion de la mobilité. Ensuite, nous proposons et évaluons un algorithme d'adaptation de débit hybride qui repose sur une estimation plus précise du canal de liaison. Les différentes simulations effectuées tout au long de ce travail montrent l’efficacité énergétique des approches proposées ainsi que l’amélioration de la connectivité des noeuds.

The increasing number and complexity of applications that are embedded into wireless mobile communicating devices (mobile phone, PDA, etc.) implies an increase of energy consumption. In order to limit the impact of pollution due to battery waste and CO2 emission, it is important to conduct an optimization of the energy consumption of these communicating end devices. This thesis focuses on energy efficiency in sensor networks. It proposes new approaches to handle mobile communicating objects. First, we propose a global sensor network architecture and a new energy-efficient mobility management approach for IEEE 802.15.4/ZigBee end devices. This new approach is based on the link quality estimator (LQI) and uses a speculative algorithm. We propose and evaluate two different speculative algorithms. Then, we study and evaluate the energy efficiency when using a rate adaptation algorithm that takes into account the communication channel conditions. We first propose a mobility-aware rate adaptation algorithm and evaluate its efficiency in our network architecture. Then, we propose and evaluate a hybrid rate adaptation algorithm that relies on more accurate link channel estimation. Simulations conducted all along this study show the energy-efficiency of our proposed approaches and the improvement of the nodes’ connectivity.; Le nombre et la complexité croissante des applications qui sont intégrées dans des objets mobiles communicants sans fil (téléphone mobile, PDA, etc.) implique une augmentation de la consommation d'énergie. Afin de limiter l'impact de la pollution due aux déchets des batteries et des émissions de CO2, il est important de procéder à une optimisation de la consommation d'énergie de ces appareils communicants. Cette thèse porte sur l'efficacité énergétique dans les réseaux de capteurs. Dans cette étude, nous proposons de nouvelles approches pour gérer efficacement les objets communicants mobiles. Tout d’abord, nous proposons une architecture globale de réseau de capteurs et une nouvelle approche de gestion de la mobilité économe en énergie pour les appareils terminaux de type IEEE 802.15.4/ZigBee. Cette approche est basée sur l'indicateur de la qualité de lien (LQI) et met en œuvre un algorithme spéculatif pour déterminer le prochain coordinateur. Nous avons ainsi proposé et évalué deux algorithmes spéculatifs différents. Ensuite, nous étudions et évaluons l'efficacité énergétique lors de l'utilisation d'un algorithme d'adaptation de débit prenant en compte les conditions du canal de communication. Nous proposons d'abord une approche mixte combinant un nouvel algorithme d'adaptation de débit et notre approche de gestion de la mobilité. Ensuite, nous proposons et évaluons un algorithme d'adaptation de débit hybride qui repose sur une estimation plus précise du canal de liaison. Les différentes simulations effectuées tout au long de ce travail montrent l’efficacité énergétique des approches proposées ainsi que l’amélioration de la connectivité des nœuds.

International audience; L'ingénierie des protocoles implique souvent de nombreuses phases de tests pour valider un protocole nouvellement créé. Dans le domaine spécifique des réseaux de capteurs sans fil, la démocratisation récente du matériel a permis de nouveaux usages pour les concepteurs de protocoles. En effet, après les phases classiques de spécification et de simulation, il est désormais courant d'évaluer le protocole dans un contexte réel et concret, sur cible finale. Dans cette optique, des outils adaptés émergent, non seulement pour rendre cette tâche plus accessible, mais aussi pour en maîtriser le déploiement, afin de rendre les résultats plus exploitables. Dans cet article, après un bref tour d'horizon des solutions disponibles, la plateforme « WiNo » d'émulation et de prototypage rapide pour réseaux de capteurs est présentée, ainsi que plusieurs exemples représentatifs de résultats obtenus grâce à son usage.

An increasing interest has been observed in Wirless Sensor Network that can be explained by wide range of WSN applications as well as by the challenges involving the constraints of this type of networks. The IEEE 802.15.4 standard has been proposed with the objective of standardizing the physical and MAC layers. In this work, we have firstly proposed an alternative multichannel scheme for the IEEE 802.15.4 standard. It is able to solve the problem of superframe collisions based on a cluster-tree topology approach in which each cluster uses a different channel allowing the reduction of the interference and increased network capacity. We have also difined a novel mechanism for topology construction, channel allocation, and superframe scheduling. Secondly, we have analyzed the impact of different parameters on the medium access control. We have shown the weakness of the medium access method proposed in the standard. For instance, we have observed a decrease in performance when the standard is applied in large networks. Motivated by the analysis and its results we have then proposed auto-adaptive mechanisms for the medium access control. They allow to dynamically adapt the size of the contention window according to the observed traffic conditions. Each coordinator computes the optimal values to avoid deafness. The proposed mechanisms rapidly converge even in the case of bursty traffic.; Les réseaux de capteurs suscitent un engouement croissant du fait du grand nombre d'applications mais également des défis inhérents à ce genre de réseaux. Le standard IEEE 802.15.4 a été proposé afin de standardiser les couches physique et MAC. Dans ce travail nous avons dans un premier temps proposé une variante multi-canal pour le standard 802.15.4 permettant de résoudre le problème de collisions de supertrames. Pour cela nous proposons de construire un réseau en arbre avec la particularité que chaque cellule du réseau utilise un canal différent permettant ainsi une réduction conséquente des interférences et augmente la capacité du réseau. Nous avons également introduit un nouveau mécanisme de construction de topologie, d'allocation de canal et d'ordonnancement de supertrames nécessaire au bon fonctionnement d'une telle solution. Dans un deuxième temps nous avons analysé l'impact des différents paramètres de la méthode d'accès du standard. Nous avons mis en exergue les faiblesses de la méthode d'accès dont les performances baissent drastiquement pour des réseaux trop importants. Partant de ce constat, nous avons proposé des mécanismes d'auto-adaptation pour la méthode d'accès du standard. Ces derniers permettent d'adapter dynamiquement la taille des fenêtres de contention en fonction des conditions de trafic observées sur le canal. Le calcul des valeurs optimales est exécuté par chaque coordinateur pour résoudre le problème de surdité. Ces mécanismes sont distribués et convergent rapidement même en cas de trafic en rafales.

An increasing interest has been observed in Wirless Sensor Network that can be explained by wide range of WSN applications as well as by the challenges involving the constraints of this type of networks. The IEEE 802.15.4 standard has been proposed with the objective of standardizing the physical and MAC layers. In this work, we have firstly proposed an alternative multichannel scheme for the IEEE 802.15.4 standard. It is able to solve the problem of superframe collisions based on a cluster-tree topology approach in which each cluster uses a different channel allowing the reduction of the interference and increased network capacity. We have also difined a novel mechanism for topology construction, channel allocation, and superframe scheduling. Secondly, we have analyzed the impact of different parameters on the medium access control. We have shown the weakness of the medium access method proposed in the standard. For instance, we have observed a decrease in performance when the standard is applied in large networks. Motivated by the analysis and its results we have then proposed auto-adaptive mechanisms for the medium access control. They allow to dynamically adapt the size of the contention window according to the observed traffic conditions. Each coordinator computes the optimal values to avoid deafness. The proposed mechanisms rapidly converge even in the case of bursty traffic.; Les réseaux de capteurs suscitent un engouement croissant du fait du grand nombre d'applications mais également des défis inhérents à ce genre de réseaux. Le standard IEEE 802.15.4 a été proposé afin de standardiser les couches physique et MAC. Dans ce travail nous avons dans un premier temps proposé une variante multi-canal pour le standard 802.15.4 permettant de résoudre le problème de collisions de supertrames. Pour cela nous proposons de construire un réseau en arbre avec la particularité que chaque cellule du réseau utilise un canal différent permettant ainsi une réduction conséquente des interférences et augmente la capacité du réseau. Nous avons également introduit un nouveau mécanisme de construction de topologie, d'allocation de canal et d'ordonnancement de supertrames nécessaire au bon fonctionnement d'une telle solution. Dans un deuxième temps nous avons analysé l'impact des différents paramètres de la méthode d'accès du standard. Nous avons mis en exergue les faiblesses de la méthode d'accès dont les performances baissent drastiquement pour des réseaux trop importants. Partant de ce constat, nous avons proposé des mécanismes d'auto-adaptation pour la méthode d'accès du standard. Ces derniers permettent d'adapter dynamiquement la taille des fenêtres de contention en fonction des conditions de trafic observées sur le canal. Le calcul des valeurs optimales est exécuté par chaque coordinateur pour résoudre le problème de surdité. Ces mécanismes sont distribués et convergent rapidement même en cas de trafic en rafales.

Being mobile, the wireless sensors must adapt to the changing environment. Therefore, in the first part of this thesis we propose a mechanism to adapt the WSN architecture dynamically based on the detected context; this includes the dynamic detection of the topology change, the detection of the new context and consequently the dynamic adaptation of the communication layer. All of these actions are executed under constraints on energy consumption. The work done in this part poses the question of detecting the new context. This is a rather difficult question because it is unclear. The purpose of the second part is to detect on the fly the type of the competitor technology generating a traffic that interferes with the WSN. The proposed mechanism, FIM, identifies the cause of interference from errors model observed in the corrupt data packets. The context detection allows the nodes of the sensor network to obtain information about the environment. Some nodes must have more reliable information on the environment than others. How to retrieve the information? From which neighboring nodes? And what information to keep as safe and useful? Are the questions that are addressed in the third part. We propose a mechanism to dynamically decide if docition mechanisms should be used or not, Mobiles, pouvant changer d’environnements au cours du temps, et de milieu pour la transmission des données et de forme de topologie, les capteurs doivent s’adapter au contexte où ils se trouvent afin d’optimiser les mécanismes qu’ils mettent en œuvre. Dans la première partie, nous proposons un mécanisme pour adapter l’architecture d’un réseau de capteurs dynamiquement en fonction du contexte et comprenant la détection dynamique d’un changement de contexte, la détection dynamique du nouveau, l’adaptation dynamique au niveau des trois couches responsables de la gestion des liens de communication en conséquence, le tout sous contrainte de consommation d’énergie. Le travail mené dans cette première partie a d’emblée posé la question de la détection du contexte. C’est une question assez difficile car elle est mal définie. L’objet de la deuxième partie est d’aborder la reconnaissance à la volée de la technologie utilisée par les réseaux émettant du trafic concurrent au réseau de capteurs. Le mécanisme proposé, FIM, identifie la cause d’interférences à partir de modèles d’erreurs observées dans les paquets de données. La détection du contexte permet aux nœuds du réseau de capteurs d’obtenir des informations sur l’environnement. Certains nœuds doivent avoir une connaissance plus fiable de l’environnement que d’autres. Comment récupérer l’information de nœuds voisins, sélectionner ceux de qui on la récupère et ne garder que ce qui nous semble sûr et utile sont les questions qui sont abordées dans la troisième partie. Nous proposons un mécanisme qui permet de décider dynamiquement si des mécanismes de docition doivent être utilisés ou pas

In this thesis, we study wireless networked control systems (WNCS) which use the IEEE 802.15.4 technology. The first objective is to study the pertinence of the use of the IEEE 802.15.4 for the WNCS, then to propose and evaluate QoS management mechanisms which guarantee the Quality of Service (QoS) offered by network to the controlled system. We analyse the use of the guaranteed temporel slots (GTS) for WNCS and in which conditions it is possible. We propose QoS management mechanisms with priority for both the beacon enabled mode and the non-beacon enabled mode of the IEEE 802.15.4 protocol. These proposals are validated through simulations and partially with analytical approach. The second objective is to design the WNCS so that the QoS offered by the network is adated online depending on the Quality of Control (QoC) on the controlled system. We propose QoS online adaptation protocols which take as parameter the QoC of the system. These protocols are validated through simulations and a realistic implementation of them is proposed.; Le cadre de cette thèse est l'étude des systèmes contrôlés en réseau sans fil (SCRSF) qui utilise la technologie IEEE 802.15.4. Le premier objectif est d'étudier la pertinance de l'utilisation du réseau de type IEEE 802.15.4 pour les SCRSF puis de proposer et d'évaluer des mécanismes pour garantir la Qualité de Service (QdS) offerte par le réseau au système contrôlé. Nous analysons l'utilisation des slots temporels réservés (GTS) dans le cadre des SCRSF et les contraintes qui en découlent. De plus, nous proposons des mécanismes de gestion de la QdS avec priorité aussi bien pour le mode avec balise que pour le mode sans balise du protocole IEEE 802.15.4. Ces propositions ont été validées par des simulations et une partie de manière analytique. Notre deuxième objectif est de concevoir, d'une manière conjointe, les SCRSF pour pouvoir régler en ligne la QdS offerte par le réseau en fonction de la Qualité de Contrôle (QdC) du système contrôlé. Nous proposons des protocoles d'adaptation en ligne de la QdS du réseau qui prennent en compte la QdC du système contrôlé. Ces protocoles ont été validés par simulations et une implémentation réelle de chacun d'eux est proposée.

In this thesis, we study wireless networked control systems (WNCS) which use the IEEE 802.15.4 technology. The first objective is to study the pertinence of the use of the IEEE 802.15.4 for the WNCS, then to propose and evaluate QoS management mechanisms which guarantee the Quality of Service (QoS) offered by network to the controlled system. We analyse the use of the guaranteed temporel slots (GTS) for WNCS and in which conditions it is possible. We propose QoS management mechanisms with priority for both the beacon enabled mode and the non-beacon enabled mode of the IEEE 802.15.4 protocol. These proposals are validated through simulations and partially with analytical approach. The second objective is to design the WNCS so that the QoS offered by the network is adated online depending on the Quality of Control (QoC) on the controlled system. We propose QoS online adaptation protocols which take as parameter the QoC of the system. These protocols are validated through simulations and a realistic implementation of them is proposed.; Le cadre de cette thèse est l'étude des systèmes contrôlés en réseau sans fil (SCRSF) qui utilise la technologie IEEE 802.15.4. Le premier objectif est d'étudier la pertinance de l'utilisation du réseau de type IEEE 802.15.4 pour les SCRSF puis de proposer et d'évaluer des mécanismes pour garantir la Qualité de Service (QdS) offerte par le réseau au système contrôlé. Nous analysons l'utilisation des slots temporels réservés (GTS) dans le cadre des SCRSF et les contraintes qui en découlent. De plus, nous proposons des mécanismes de gestion de la QdS avec priorité aussi bien pour le mode avec balise que pour le mode sans balise du protocole IEEE 802.15.4. Ces propositions ont été validées par des simulations et une partie de manière analytique. Notre deuxième objectif est de concevoir, d'une manière conjointe, les SCRSF pour pouvoir régler en ligne la QdS offerte par le réseau en fonction de la Qualité de Contrôle (QdC) du système contrôlé. Nous proposons des protocoles d'adaptation en ligne de la QdS du réseau qui prennent en compte la QdC du système contrôlé. Ces protocoles ont été validés par simulations et une implémentation réelle de chacun d'eux est proposée.

International audience; Aujourd'hui, les technologies de communication sans fil sont nombreuses et globalement complémentaires. Cependant, trop peu d'entre elles proposent de réelles garanties sur la remise de messages dans un temps borné alors que ces exigences sont fondamentales dans le cadre de certaines utilisations, comme par exemple pour la robotique coopérante où les robots mobiles doivent pouvoir s'échanger des messages dans un temps borné. Dans le cadre de nos travaux, nous proposons un système de communication sans fil présentant de fortes garanties sur le plan temporel et basé sur la technologie IEEE 802.15.4/ZigBee. Les garanties sont envisageables grâce à un mode d'accès au médium complètement déterministe. Dans cet article, la méthode d'accès est décrite, simulée et mise en œuvre dans le cadre d'un prototypage réel. Les résultats obtenus par ces diverses études sont présentés.

A wireless sensor network is a set of small communicating nodes that consume very little energy. Some applications require wireless sensor networks to be energy efficient to extend the lifetime of the network, others require deterministic behavior that usually results in bounded endtoend delays and/or frame loss rate below a critical threshold. To save significant energy, an entity must be put into sleep mode. During this period, it will be inactive thus unable to participate in network activity. The use of sleep periods is a handicap for the deterministic aspect as well as for the respect of delay constraints. The work of this thesis focuses on the specification, development and evaluation in different forms of a deterministic medium access mechanism adaptable to the quality of service requirements such as the absence of collisions and the guarantee of a bounded endtoend delay, while maintaining low energy consumption behavior. The proposed solution is based on temporal segmentation of the activities of the nodes, multihop synchronization and service differentiation based on two routing strategies., Un réseau de capteur sans fil est un ensemble de noeuds communicants, généralement miniatures et capables de fonctionner avec peu d'énergie. Certaines applications imposent à ces réseaux de capteurs sans fil d'être économes en énergie pour prolonger la durée de vie du réseau, d'autres nécessitent un comportement déterministe qui se traduit généralement par des délais de traversée du réseau bornés et/ou un taux de trames perdues inférieur à un seuil critique. Pour économiser significativement de l'énergie, une entité doit se mettre en mode sommeil. Durant cette période, elle sera inactive donc incapable de participer à l'ativité du réseau. L'usage de périodes de sommeil est un handicap pour l'aspect déterministe et pour le respect de contraintes temporelles. Le travail de cette thèse est centré sur les spécifications, le dévelopement et l'évaluation sous différentes formes d'une méthode d'accès au medium adaptée au déterminisme et aux exigences de qualité de service telles que l'absence de collisions et la garantie d'un délai borné de bout-en-bout, tout en conservant une faible consommation énergétique. La solution proposée repose sur la segmentation temporelle des activités, une synchronisation multi-sauts et une différentiation de services basée sur des stratégies de routage adaptées.

4 pages; La demande des grandes compagnies pour utiliser des réseaux sans fil en milieu industriel devient de plus en plus forte. Toutefois, les contraintes temps réel caractéristiques des communications industrielles doivent être vérifiées pour que ces réseaux soient effectivement adoptés. Dans cet article, nous présentons une analyse de performances du protocole IEEE 802.15.4 pour étudier sa capacité à écouler du trafic temps réel. Cette analyse va servir à déterminer les valeurs limites admissibles par le protocole, en termes de temps de cycle et du nombre de messages par cycle.

Today, wireless network technologies (WLAN/WPAN) available on the market are numerous and complementary. Nevertheless, none of these technologies present some real guaranties on message delivery within a bounded delay. However, this kind of constraint is a recurrent need in the industrial communication application context. To solve this problem, our research work proposes an original full deterministic MAC layer for an IEEE 802.15.4 Low-Power Wireless Personal Area Network.We first present a state of the art on principal wireless network standards and technologies, Quality of Service protocols and commonly used Medium Access Control mechanisms. Then, we present the IEEE 802.15.4/ZigBee wireless technology which is used as a basis for our works. This study has enabled us to identify weakness on 802.15.4 Medium Access Control, in particular for highly time-constrained data transports. Our research works propose to solve these identified weaknesses by proposing an original full deterministic medium access method. Several validation methods/tools were used: Petrinets, simulation and prototyping. Obtained results are then exposed and discussed.; Aujourd'hui, les technologies de réseaux sans fil (WLAN/WPAN) présentes sur le marché sont nombreuses et globalement complémentaires. Cependant, trop peu d'entre elles proposent de réelles garanties sur la remise de messages dans un temps borné alors que ces exigences sont fondamentales dans le cadre d'une utilisation de type industriel. Dans le cadre de nos travaux, nous proposons une nouvelle couche MAC entièrement déterministe pour un réseau sans fil personnel basse consommation (LP-WPAN) IEEE 802.15.4 présentant des garanties sur le plan temporel.Tout d'abord, un état de l'art est effectué sur les principaux réseaux sans fil existants, les mécanismes de gestion de la Qualité de Service et les méthodes d'accès généralement utilisées. Nous présentons ensuite la technologie IEEE 802.15.4/ZigBee sur laquelle sont basés nos travaux. Cette étude approfondie nous a permis d'identifier certaines imperfections au niveau de la méthode d'accès par rapport aux contraintes temporelles. Nous proposons de combler ces lacunes par la création d'une couche MAC entièrement déterministe dont nous présentons les caractéristiques et les nouvelles fonctionnalités. Plusieurs méthodes complémentaires ont été utilisées pour valider nos propositions : Réseaux de Petri, simulation et prototypage réel. Les résultats obtenus et les analyses de ces trois études sont exposés.

Today, wireless network technologies (WLAN/WPAN) available on the market are numerous and complementary. Nevertheless, none of these technologies present some real guaranties on message delivery within a bounded delay. However, this kind of constraint is a recurrent need in the industrial communication application context. To solve this problem, our research work proposes an original full deterministic MAC layer for an IEEE 802.15.4 Low-Power Wireless Personal Area Network.We first present a state of the art on principal wireless network standards and technologies, Quality of Service protocols and commonly used Medium Access Control mechanisms. Then, we present the IEEE 802.15.4/ZigBee wireless technology which is used as a basis for our works. This study has enabled us to identify weakness on 802.15.4 Medium Access Control, in particular for highly time-constrained data transports. Our research works propose to solve these identified weaknesses by proposing an original full deterministic medium access method. Several validation methods/tools were used: Petrinets, simulation and prototyping. Obtained results are then exposed and discussed.; Aujourd'hui, les technologies de réseaux sans fil (WLAN/WPAN) présentes sur le marché sont nombreuses et globalement complémentaires. Cependant, trop peu d'entre elles proposent de réelles garanties sur la remise de messages dans un temps borné alors que ces exigences sont fondamentales dans le cadre d'une utilisation de type industriel. Dans le cadre de nos travaux, nous proposons une nouvelle couche MAC entièrement déterministe pour un réseau sans fil personnel basse consommation (LP-WPAN) IEEE 802.15.4 présentant des garanties sur le plan temporel.Tout d'abord, un état de l'art est effectué sur les principaux réseaux sans fil existants, les mécanismes de gestion de la Qualité de Service et les méthodes d'accès généralement utilisées. Nous présentons ensuite la technologie IEEE 802.15.4/ZigBee sur laquelle sont basés nos travaux. Cette étude approfondie nous a permis d'identifier certaines imperfections au niveau de la méthode d'accès par rapport aux contraintes temporelles. Nous proposons de combler ces lacunes par la création d'une couche MAC entièrement déterministe dont nous présentons les caractéristiques et les nouvelles fonctionnalités. Plusieurs méthodes complémentaires ont été utilisées pour valider nos propositions : Réseaux de Petri, simulation et prototypage réel. Les résultats obtenus et les analyses de ces trois études sont exposés.

International audience; The strong growth of low rate wireless personal area networks (LR-WPAN), leads us to consider the autonomy problems, thus node lifetime in a network, knowing that the power supplies replacement is often difficult to realize. The inherent mobility in this type of equipment is an essential element. It will provide routing constraints, so a complex problem to solve. This article provides work lines to assess the performance of such a network in terms of energy consumption and mobility. The objectives are contradictory; it will necessarily find a compromise. In addition, if we want to guarantee a maximum delay for the transmitted messages, possibility offered by the IEEE 802.15-4 standard, another compromise necessitate a strictly fixed structure and a fully mobile structure. Therefore, we present a quantization of the energy cost related to the desired data rate and compared to the sleep duration of nodes in the network. Then, we open reflexion lines to find the best compromise: consumption / mobility / guaranteed deadlines, in suggesting an adaptive network structure from a concept of MANET.