Добірка наукової літератури з теми "Systèmes de communication sans fil – Réseaux de capteurs (technologie)"

Le vieillissement de la population mondiale conduit à une augmentation des maladies liées à la vieillesse, aggravant la fragilité et donc réduisant l’autonomie des personnes âgées. Les réseaux de capteurs corporels sans fil font partie des solutions étudiées depuis plusieurs années pour surveiller et ainsi prévenir la santé des personnes âgées. La plupart des dispositifs existants proposent des communications sans fil basées sur des technologies radio fréquences (RF). Cependant les interférences électromagnétiques et les risques pour la santé des ondes radio constituent un frein au déploiement. Ainsi, une alternative originale dans ce contexte est l'utilisation des technologies de communication optique sans fil.L’équipe Sycomor du laboratoire XLIM travaille depuis plusieurs années sur cette technologie, en particulier la modélisation du canal et l’évaluation des performances pour les réseaux de capteurs corporels et collabore sur le sujet avec le laboratoire HAVAE de l’Université de Limoges, le CHU de Limoges, La Fondation partenariale de l’université et le centre de transfert de technologie CISTEME sur différents volets applicatifs. Parmi les applications, on retrouve les environnements où les ondes radios sont à limiter, principalement pour des raisons de santé ou de sécurité des informations transmises. Les ondes radios sont déconseillées pour les nourrissons et peuvent poser des problèmes de compatibilité et d’interférence pour des personnes portant des dispositifs électroniques implantés. Ainsi, les travaux menés par l’équipe portent aussi bien sur la surveillance du jeune enfant que sur celle de la personne âgée ou fragile.

Les réseaux de capteurs constituent un axe de recherche très fertile ces dernières années. Cette technique se développe dans différents domaines comme l'environnement, l'industrie, le commerce, la médecine, l'armée, etc. Les réseaux de capteurs sont difficiles à concevoir parce qu'ils sont fortement contraints en énergie et que tous les éléments ont potentiellement une influence sur la durée de vie du système. Nous proposons un outil permettant l'aide au bon paramétrage et aux choix de paramètres optimaux pour la stabilité des applications.Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à deux problématiques : une classification des paramètres pour un outil d'aide à la décision pour la configuration d'un réseau de capteurs et la seconde, un outil de test de conformité du système dans un environnement réel. Le document est divisé en deux parties où la première partie est un état de l'art de différents protocoles existants et la deuxième partie décrit notre contribution dans ces deux problématiques.Dans la première contribution, nous avons analysé l'impact de la couverture radio puis de la topologie sur les performances d'un réseau de capteurs. Nous étudions le taux de perte et le niveau d'énergie pour en déduire la stabilité d'une application. Puis nous avons proposé une étude menant à une classification pour notre outil d'aide à la décision. Notre classification est basée sur une étude de divers paramètres de la couche MAC, physique, protocole de routage, nombre de nœuds et type d'application.Dans la deuxième contribution, nous nous sommes focalisés sur une approche pragmatique permettant de tester la conformité d'un réseau de capteurs dans un environnement réel. Pour tester la conformité dans un environnement réel, nous proposons une architecture d'exécution de test sur un réseau de capteurs réel. Ceci dans un but d'assurer un niveau correct de conformité et la stabilité de celui-ci durant son fonctionnement
Wireless sensor networks is one of the hotest research topic in the last few years. This technology can be applied for different fields such as environment, industry, trading, medicine, military etc. Wireless sensor networks are hard to conceive because they require a lot of energy and because each of its component may have an influence on the lifetime of the whole system. What we suggest is a tool allowing to choose the correct and optimal parameters for the reliability of the applications.In this thesis, we focused on two major problems : firstly, a classification of the parameters for a tool allowing to make decisions about the configuration of a wireless sensors network, and secondly, a tool testing the compliance of the system with a real environment. The document is divided into two parts : the first part states the different protocols that exist, and the second part describes our contributions to those topics.In the first contribution, we analyzed how influential the radio cover and the network topology are on the network performances. Then, we deduced from the study of the loss rate and of the level of energy, the reliability of the application. Next, we suggested a study leading to a classification for our decision making tool. For this classification, we studied various parameters related to the MAC layer, the Physical layer, the network layer, the application layer the number of nodes involved in the network.In the second contribution, we adopted a pragmatic approach so we could test the conformity of a wireless sensors network in a real environment. In order to test its conformity in a real environment, we suggested a structured test execution on a real wireless sensor network. This task has been suggested in order to check the conformance level of the network while it was working

Les progrès réalisés ces dernières années dans les domaines des télécommunications et de la miniaturisation rendent aujourd'hui possible le déploiement à un faible coût d'objets communicants autonomes, dans le but de collecter des données environnementale, ou de réagir lors de l'apparition d'événements spécifiques. L'apparition de ces nouveaux réseaux ad hoc rend alors nécessaire la proposition de protocoles adaptés aux contraintes des objets considérés, et des applications désirées. Durant cette thèse, l'objectif consistait à contribuer au domaine des réseaux de capteurs en proposant des solutions pour quelques unes des problématiques les plus importantes. Dans une première partie, dédiée aux problèmes de communication, nous étudions et proposons dans un premier temps un nouveau mécanisme de routage géographique économe en énergie qui s'affranchit de l'échange périodique de messages HELLO, nécessaires à la découverte du voisinage de chaque capteur. Nous décrivons ensuite une solution prenant en compte les éventuelles erreurs de localisation des capteurs. Nous nous sommes également intéressés à la proposition d'une stratégie de diffusion de messages depuis le point de collecte, qui cherche à la fois à minimiser les dépenses d'énergie dans le réseau, tout en les répartissant entre les différentes entités, dans le but d'accroître la durée de vie globale du réseau. Dans la seconde partie de cette thèse, nous avons considéré le problème de la localisation dans les réseaux sans fil multisaut. Après une étude des différentes solutions existantes dans la littérature, nous proposons une nouvelle famille de méthodes de localisation, particulièrement adaptées aux réseaux de capteurs sans fil. Nous décrivons sa capacité à passer à l'échelle, et grâce à de nombreuses simulations nous montrons la précision des résultats obtenus par notre méthode en matière de localisation , et ce, même dans des topologies complexes ou en présence de fortes erreurs de mesure
Recent advancements in the fields of telecommunications and miniaturization make it possible to deploy for a reasonnable cost, autonomous communicating objects in order to collect environmental data, or to respond when a given event appears in the deployment area. Due to the emergence of these new kind of ad hoc networks, it is needed to design various new protocols, adapted to the constraints of considered objects and to the specific needs of targeted applications.During this thesis, the objective was to contribute to the field of wireless sensor networks by proposing solutions for some of the most important issues. In the first part of this document, dedicated to communication problems, we study and propose a new energy efficient geographical routing mechanism which overcomes the periodic exchange of HELLO messages, often required to determine sensors neighborhood. We also extend this method when considering the presence of location errors of sensors. Next, we have studied a strategy to enhance the lifetime of the network when periodic queries must be sent from the base station to the whole network, by adapting an efficient localized broadcast algorithm, in order to balance energy consumption between nodes. Additionally we have shown that it is not necessary to recompute the broadcast trees for each query to obtain a good lifetime.In the second part of this document, we considered the localization problem in wireless multihop networks. After a study of some of the most interesting solutions in the litterature, we propose a new family of localization methods which are well suited for wireless sensor networks, using 2-hop information and force-based algorithms. Through extensive simulations we show the scalabity of our method, and its ability to obtain accurate results, even when considering complex topologies or the presence of large measurement errors

Les réseaux de capteurs sans fil qui nous occupent dans cette thèse sont un ensemble d’appareils connectés les uns aux autres par des technologies bas débit et faible consommation. Leur rôle est de prendre des mesures sur l’environnement physique qui les entoure (suivis météoclimatiques, contrôles d’installationsindustrielles, relevés de l’état des réseaux de distributions, surveillance topographique. . . ). Ces mesuresdoivent ensuite être collectées vers l’extérieur du réseau. Comme les capteurs ont une courte portée decommunication radio, les transmissions sont faites en multisaut, les capteurs proches de la destinationrelayant l’information émise par ceux qui en sont plus éloignés. À cause du mouvement des nœuds eux-mêmes ou d’objets dans leur environnement perturbant les communications sans fil, la topologie exactedu réseau est sujette à des changements. De plus, les capteurs eux-mêmes, alimentés par batterie pour laplupart, sont limités en énergie et par là en capacité de transmission. Les techniques d’économie d’énergieappliquées pour éteindre la radio la plupart du temps imposent alors des contraintes de synchronisationsupplémentaires.Pour acheminer l’information dans le réseau, le protocole de routage établit des routes, de façon à ceque les capteurs puissent relayer l’information depuis et jusqu’au routeur de bordure du réseau à traversdes liens fiables et conduisant jusqu’à la destination à travers des chemins courts. À cause des limitationsdes capteurs, le protocole de routage doit être efficace en énergie, c’est-à-dire que la surcharge des trans-missions radio impliquées par le protocole de routage lui-même doit être aussi légère que possible. Il doitaussi être capable de rétablir la connectivité en cas de changement dans la topologie du réseau, et ce sanscréer de boucles de routage pénalisant tant la qualité de service que les réserves d’énergie des nœuds.Ce document décrit un protocole de routage répondant à ces objectifs. Il est capable de créer un arbrede collecte autoréparant permettant d’extraire l’information hors du réseau, ainsi que des routes pour dis-tribuer des commandes ou des accusés de réception aux nœuds. Il valide aussi le chemin emprunté parchaque paquet transmis afin de garantir qu’ils n’entrent jamais dans une boucle de routage. Le protocoleest mis en situation dans des simulations et aussi des expérimentations en plateforme réelle, montrant l’ef-ficacité des mécanismes proposés.Afin d’améliorer sa capacité à choisir les meilleurs liens disponibles, je propose également l’utilisationd’une nouvelle estimation de leur qualité. Elle est basée sur deux mesures complémentaires : une mesure àlong terme du niveau de bruit ambiant présent sur le canal radio, et une mesure ponctuelle de la puissancedu signal reçu de l’émetteur. Ces deux mesures fournissent une estimation du rapport signal à bruit, etpar là du taux de réception attendu. Cette estimation est à la fois précise, rapide à obtenir, et adaptée auxcontraintes des capteurs et des réseaux desquels nous parlons
The wireless sensor networks that we work with in this thesis are a set of devices connected to eachother by low-rate and low-power technologies. Their role is to produce measures on the physical environ-ment around them (meteorological and climate condition tracking, monitoring of industrial installations,control of distribution grids, topographical surveillance. . . ). These measures must then be collected out ofthe network. Since the sensors have short range radios, transmissions are multi-hop, the sensors close tothe destination relaying the information transmitted by those which are further away from it. Because ofthe movement of the nodes themselves or of objects in their environment interfering with wireless commu-nications, the exact topology of the network is subject to change. In addition, the battery-powered sensorsare limited in energy and therefore in transmission abilities. The power-saving techniques applied to turnoff the radio most of the time impose synchronization constraints.To route information through the network, the routing protocol establishes routes, so that the sensorscan relay information from and to the network border router through reliable links leading to the destina-tion through short paths. Due to sensor limitations, the routing must be energy efficient, i.e. the overloadof the radio transmissions involved by the routing algorithm itself must be as lightweight as possible. Itmust also be able to restore connectivity on a network topology change without creating routing loops thatnegatively impact the quality of service and the energy reserves of the nodes.This document describes a routing protocol that meets these objectives. It is capable of creating a self-healing collection tree that extracts information out of the network, as well as from the routes to distributecommand messages or acknowledgment to the nodes. It also validates the data path of each packet toensure that they never enter a routing loop. The protocol is run in simulations and also on real platformexperiments, showing the effectiveness of the proposed mechanisms.In order to improve its ability to choose the best available links, I also propose the use of a new esti-mation of their quality. It is based on two complementary measurements: a long-term measurement ofthe ambient noise level on the radio channel, and a measurement of the power of the signal received fromthe transmitter. These two measurements provide an estimate of the signal-to-noise ratio, and thereby theexpected reception rate. This estimate is both accurate, quick to obtain, and adapted to the constraints ofsensors and networks we are talking about

Maximiser la durée de vie d’un réseau de capteurs sans fil (RCSF) est un défi de conception réseau très important. A cet égard, cette thèse s’intéresse au développement de divers mécanismes visant à économiser la consommation d’énergie. Les thèmes de recherche abordés sont : l’exploitation de la corrélation et l’équilibrage de la distribution de charge dans le réseau. A cette fin, nous avons tout d’abord analysé la corrélation spatiale entre les capteurs. Une étude détaillée de la corrélation spatiale nous a permis de concevoir un protocole MAC (SC-MAC) visant à limiter le nombre de capteurs rapporteurs tout en maintenant le niveau de fiabilité voulu. Nous avons après proposé une stratégie d’agrégation efficace et le protocole de routage correspondant qui minimisent la consommation d’énergie tout en assurant des performances de détection importantes. Finalement, nous avons proposé d’équilibrer la consommation d’énergie partout dans le réseau en distribuant le trafic généré par chaque capteur sur des chemins multiples au lieu d’expédier toujours par le même chemin
Energy-efficiency is a critical issue in wireless sensor networks (WSNs) due to the limited capacity of the sensor nodes’ batteries. Consequently, techniques minimizing the energy consumption are required to improve the network lifetime. In this regard, our research directions revolve around two axes: correlation avoidance and load balancing. From a correlation avoidance perspective, we started by proposing a new spatial correlation framework which yields to the development of a Spatial Correlation Medium Access Control (SC-MAC) protocol. Still dealing with correlation avoidance solutions, we proposed next a cooperative routing strategy that profits from the aggregation mechanism in order to curtail the network load. From a load balancing perspective, we proposed balancing the energy consumption throughout the network by sending the traffic generated by each sensor node through multiple paths instead of forwarding always through the same path. We determined then the set of routes to be used by each sensor node and the associated weights that maximize the network lifetime

En fonction de leur application, les réseaux ad hoc de capteurs peuvent être composés d’un nombre plus ou moins important de nœuds avec des contraintes sur leur taille, coûts, consommation énergétique et par corollaire sur tout un ensemble d’autres paramètres. Ces contraintes caractéristiques se traduisent par le besoin d’une utilisation de méthodes distribuées d’auto-organisation et de traitement des données. En particulier, la classe des algorithmes de consensus de moyenne (ACM) initialement conçue pour le calcul de la valeur moyenne d’un jeu de paramètres distribués, est une brique de base amenée à jouer un rôle important pour des protocoles/algorithmes applicatifs complexes. L’objectif de cette thèse est de fournir des éléments d’amélioration et d’application de cette catégorie d’algorithme. La thèse s’est focalisée dans un premier temps sur des méthodes de caractérisation et d’optimisation des ACM de l’état de l’art. Dans un second temps, deux nouveaux algorithmes sont proposés afin de réduire le coût énergétique. Le premier se place dans un cadre d’estimation et vise à prendre en compte de nouvelles informations plus rapidement. Le second permet d’utiliser la nature diffusante du canal radio et présente l’avantage de ne pas nécessiter de mécanismes contrôle (acquittements). Enfin, des applications à la synchronisation fine d’horloge (couche physique) et à la cartographie paramétrique (couche application) sont décrites et apportent une concrétisation du besoin
Depending on their applications, sensor networks may be composed of a varying number of nodes having severe constraints on their size, cost, energetic consumption, and as a consequence on a large set of related parameters. These characteristics involve the need of distributed methods for organization and data processing. In particular, the class of average consensus algorithms (ACA), initially designed for computing the empirical mean of a set of input parameters, is a building block which is about to play an important role for complex applicative algorithms/protocols. The goal of this thesis is to provide elements for improving this category of algorithms, and validating them on some applications. In a first time, it focuses on characterization and optimization methods applied to ACA from the state of the art. Then, two new algorithms are proposed in order to reduce the energetic cost. The first one takes place in an estimation framework and aims at taking quickly account of fresh information. The second algorithm focuses on reducing the communication cost by exploiting the diffusive nature of wireless communications and requiring no transmission control mechanism (such as acknowledgements or synchronization). To finish with, applications to fine synchronization of clocks (physical layer) and to parametric cartography (application layer) are given

Pour augmenter la durée de vie des réseaux de capteurs sans fil, une solution est d'améliorer l'efficacité énergétique des protocoles de communication. Le regroupement des nœuds du réseau de capteurs sans fil en cluster est l'une des meilleures méthodes. Cette thèse présente propose plusieurs améliorations en modifiant les paramètres du protocole de référence LEACH. Pour améliorer la distribution énergétique des "cluster-heads", nous proposons deux protocoles de clustering centralisés k-LEACH et sa version optimisée k-LEACH-VAR. Un algorithme distribué, appelé e-LEACH, est également proposé pour réduire l'échange d'information périodique entre les nœuds et la station de base lors de l'élection des "cluster-heads". Par ailleurs, le concept l'équilibrage énergétique est introduit dans les métriques d'élection pour éviter les surcharges des nœuds. Ensuite, nous présentons une version décentralisée de k-LEACH qui, en plus des objectifs précédents, intègre la consommation d'énergie globale du réseau. Ce protocole, appelé, k-LEACH-C2D, vise également à favoriser la scalabilité du réseau. Pour renforcer ce dernier et l'autonomie des réseaux, les deux protocoles de routage "multi-hop" probabiliste, dénotés FRSM et CB-RSM construisent des chemins élémentaires entre les "cluster-heads" et la station de base. Le protocole CB-RSM forme une hiérarchie des "cluster-heads" pendant la phase de formation des clusters, en mettant un accent sur l'auto-ordonnancement et l'auto-organisation entre les "cluster-heads" pour rendre les réseaux le plus "scalable". Ces différents protocoles reposent sur l'idée de base que les nœuds ayant l'énergie résiduelle la plus élevée et la plus faible variance de consommation de l'énergie deviennent "cluster-head". Nous constantans le rôle central de la consommation du nœud dans nos différentes propositions. Ce point fera l'objet de la dernière partie de cette thèse. Nous proposons une méthodologie pour caractériser expérimentalement la consommation d'un nœud. Les objectifs visent à mieux appréhender la consommation pour différentes séquences d'état du nœud. Enfin, nous proposons un modèle global de la consommation du nœud
To increase the lifetime of wireless sensor networks, a solution is to improve the energy efficiency of the communication's protocol. The grouping of nodes in the wireless sensor network clustering is one of the best methods. This thesis proposes several improvements by changing the settings of the reference protocol LEACH. To improve the energy distribution of "cluster-heads", we propose two centralized clustering protocols LEACH and k-optimized version k-LEACH-VAR. A distributed algorithm, called e-LEACH, is proposed to reduce the periodic exchange of information between the nodes and the base station during the election of "cluster-heads". Moreover, the concept of energy balance is introduced in metric election to avoid overloading nodes. Then we presented a decentralized version of k-LEACH, which in addition to the previous objectives, integrates the overall energy consumption of the network. This protocol, called k-LEACH-C2D, also aims to promote the scalability of the network. To reinforce the autonomy and networks, both routing protocols "multi-hop" probability, denoted CB-RSM and FRSM build elementary paths between the "cluster-heads" and elected the base station. The protocol, CB-RSM, forms a hierarchy of "cluster-heads" during the training phase clusters, with an emphasis on self-scheduling and self-organization between "cluster-heads" to make the networks more scalable. These protocols are based on the basic idea that the nodes have the highest residual energy and lower variance of energy consumption become "cluster-head". We see the central role of consumption of the node in our proposals. This point will be the last part of this thesis. We propose a methodology to characterize experimentally the consumption of a node. The objectives are to better understand the consumption for different sequences of the node status. In the end, we propose a global model of the consumption of the node

Les évolutions technologiques des dernières années ont premis de mettre en évidence un nouveau domaine de recherche : les Réseaux de Capteurs Sans Fil ( RCSFs). Les RCSFs sont basés sur des systèmes embarqués à fortes contraintes de ressources telles que l'énergie, la puissance de calcul et la mémoire. Leurs domaines d'application sont vastes allant notamment de la collecte de données environnementales à la surveillance d'infrastructures en passant par l'aide aux personnes. Une application type contient de quelques dizaines à plusieurs milliers de capteurs sans fil (noeuds). Le challenge que cette thèse se propose de relever est de fournir des méthodes simples et peu intrusives pour administrer ces réseaux. L'objectif est de répondre à ce besoin en minimisant l'impact sur le fonctionnement des noeuds ainsi que le coût énergétique. La solution proposée -LiveNode Non Invasive, Context aware, and Modular management (LiveNCM)- fournit des méthodes permettant de connaître l'état des noeuds et d'interagir avec eux en prenant en compte le contexte applicatif et en utilisant des estimateurs pour minimiser les échanges. Déployé sur une application de collecte de données environnementales, LiveNCm propose un outil de supervision basé sur une extesion du protocole SNMP. Les résultats obtenus notamment sur les gains énergétiques sont importants avec une autonomie du réseau augmentée de plus de 50% pour certaines grandeurs physiques observées dans un contexte spécifique. De plus, en minimisant les échanges dans le réseau, LiveNCM limite les collisions et les goulots d'étranglement qui peuvent apparaître sur le serveur de collecte des données et entre les noeuds

La représentation par complexes simpliciaux fournit une description mathématique de la topologie d’un réseau de capteurs, c’est-à-dire sa connectivité et sa couverture. Dans ces réseaux, les capteurs sont déployés aléatoirement en grand nombre afin d’assurer une connectivité et une couverture parfaite. Nous proposons un algorithme qui permet de déterminer quels capteurs mettre en veille, sans modification de topologie, afin de réduire la consommation d’énergie. Notre algorithme de réduction peut être appliqué à tous les types de complexes simpliciaux, et atteint un résultat optimal. Pour les complexes simpliciaux aléatoires géométriques, nous obtenons des bornes pour le nombre de sommets retirés, et trouvons des propriétés mathématiques pour le complexe simplicial obtenu. En cherchant la complexité de notre algorithme, nous sommes réduits à calculer le comportement asymptotique de la taille de la plus grande clique dans un graphe géométrique aléatoire. Nous donnons le comportement presque sûr de la taille de la plus grande clique pour les trois régimes de percolation du graphe géométrique. Dans la deuxième partie, nous appliquons la représentation par complexes simpliciaux aux réseaux cellulaires, et améliorons notre algorithme de réduction pour répondre à de nouvelles demandes. Tout d’abord, nous donnons un algorithme pour la planification automatique de fréquences, pour la configuration automatique des réseaux cellulaires de la nouvelle génération bénéficiant de la technologie SON. Puis, nous proposons un algorithme d’économie d’énergie pour l’optimisation des réseaux sans fil. Enfin, nous présentons un algorithme pour le rétablissement des réseaux sans fil endommagés après une catastrophe. Dans ce dernier chapitre, nous introduisons la simulation des processus ponctuelsdéterminantaux dans les réseaux sans fil
Simplicial complex representation gives a mathematical description of the topology of a wireless sensor network, i.e., its connectivity and coverage. In these networks, sensors are randomly deployed in bulk in order to ensure perfect connectivity and coverage. We propose an algorithm to discover which sensors are to be switched off, without modification of the topology, in order to reduce energy consumption. Our reduction algorithm can be applied to any type of simplicial complex and reaches an optimum solution. For random geometric simplicial complexes, we find boundaries for the number of removed vertices, as well as mathematical properties for the resulting simplicial complex. The complexity of our reduction algorithm boils down to the computation of the asymptotical behavior of the clique number of a random geometric graph. We provide almost sure asymptotical behavior for the clique number in all three percolation regimes of the geometric graph. In the second part, we apply the simplicial complex representation to cellular networks and improve our reduction algorithm to fit new purposes. First, we provide a frequency auto-planning algorithm for self-configuration of SON in future cellular networks. Then, we propose an energy conservation fot the self-optimization of wireless networks. Finally, we present a disaster recovery algorithm for any type of damaged wireless network. In this last chapter, we also introduce the simulation of determinantal point processes in wireless networks.Simplicial complex representation gives a mathematical description of the topology of a wireless sensor network, i.e., its connectivity and coverage. In these networks, sensors are randomly deployed in bulk in order to ensure perfect connectivity and coverage. We propose an algorithm to discover which sensors are to be switched off, without modification of the topology, in order to reduce energy consumption. Our reduction algorithm can be applied to any type of simplicial complex and reaches an optimum solution. For random geometric simplicial complexes, we find boundaries for the number of removed vertices, as well as mathematical properties for the resulting simplicial complex. The complexity of our reduction algorithm boils down to the computation of the asymptotical behavior of the clique number of a random geometric graph. We provide almost sure asymptotical behavior for the clique number in all three percolation regimes of the geometric graph. In the second part, we apply the simplicial complex representation to cellular networks and improve our reduction algorithm to fit new purposes. First, we provide a frequency auto-planning algorithm for self-configuration of SON in future cellular networks. Then, we propose an energy conservation fot the self-optimization of wireless networks. Finally, we present a disaster recovery algorithm for any type of damaged wireless network. In this last chapter, we also introduce the simulation of determinantal point processes in wireless networks

Dans cette thèse, on s'est intéressé à trois problématiques des réseaux de capteurs sans fil (WSN). Dans un premier temps nous avons analysé l'impact de la chute de tension dans la batterie du nœud sur la puissance du signal en réception. On propose alors une méthode pour compenser l'augmentation apparente de la distance calculée entre les nœuds due à la diminution de l'énergie de la batterie. Pour les nœuds passant par deux états principaux endormi et actif, on propose d'étudier, la relation entre la diminution de la tension de la batterie en fonction du temps passé par un nœud dans l'état actif. Ensuite, on calcule le rapport entre la RSS et la distance entre les nœuds connectés avec des batteries complètement chargées. Après on mesure la RSS en faisant varier la tension de la batterie du nœud émetteur et en gardant le nœud récepteur à une distance constante. Finalement, on propose une relation entre la RSS observée et la tension actuelle de la batterie du nœud émetteur. Cette fonction permet de calculer la valeur corrigée de la RSS qui correspond à la distance réelle entre les nœuds connectés. Ainsi l'efficacité des méthodes de la localisation basée sur la RSS se trouvent améliorées. Dans la deuxième partie de cette thèse on propose une méthode d'estimation des positions des nœuds dans un WSN. Dans l'algorithme de localisation proposé, on utilise des nœuds ancres comme des points de référence. On a utilisé une approche heuristique pour trouver la topologie relative avec l'aide de la matrice de distance. Le but de la matrice de distance est d'indiquer s'il existe une connexion entre une paire de nœuds donnée et en cas de connectivité, la distance estimée entre ces nœuds. En utilisant les informations de connectivité entre les nœuds et leurs distances, on obtient la topologie du réseau. La méthode proposée utilise la solution de l'intersection de deux cercles au lieu de la méthode classique de triangulation, où un système quadratique de trois équations avec deux variables est utilisé ce qui rend la complexité de calcul augmentée. Lorsque deux nœuds connectés ont un autre nœud en commun, puis en utilisant les informations de distances entre ces nœuds interconnectés, nous pouvons calculer deux positions possibles pour le troisième nœud. La présence ou l'absence d'un lien entre le troisième nœud et un quatrième nœud, permet de trouver la position précise. Ce processus est réitéré jusqu'à ce que toutes les positions des nœuds aient été obtenues. Une fois la topologie relative calculée, il faut trouver la symétrie, l'orientation et la position de cette topologie dans le plan. C'est à ce moment que la connaissance des positions des trois nœuds entre en action. La topologie donne les coordonnées temporaires des nœuds. En ayant une comparaison de certaines caractéristiques entre les coordonnées temporaires et les coordonnées exactes, on trouve d'abord la symétrie de la topologie relative qui correspondrait à la topologie originale. En d'autres termes on vérifie si oui ou non la topologie relative est une image miroir de la topologie originale. Des opérateurs géométriques sont alors utilisés pour corriger la topologie relative par rapport à la topologie réelle. Ainsi, on localise tous les nœuds dans un WSN en utilisant exactement trois ancres. Dans la dernière partie de cette thèse, on propose une méthode pour la détection de défauts dans un WSN. Il y a toujours une possibilité qu'un capteur d'un nœud ne donne pas toujours des mesures précises. On utilise des systèmes récurrents et non récurrents pour la modélisation et on prend comme variable d'entrée, en plus des variables du nœud en question, les informations des capteurs voisins. La différence entre la valeur estimée et celle mesurée est utilisée pour déterminer la possibilité de défaillance d'un nœud
In this thesis three themes related to wireless sensor networks (WSNs) are covered. The first one concerns the power loss in a node signal due to voltage droop in the battery of the node. In the first part of the thesis a method is proposed to compensate for the apparent increase in the calculated distance between the related nodes due to decrease in the energy of the signal sending node battery. A function is proposed whose arguments are the apparently observed RSS and the current voltage of the emitter node battery. The return of the function is the corrected RSS that corresponds to the actual distance amongst the connected nodes. Hence increasing the efficiency of the RSS based localization methods in WSNs. In the second part of the thesis a position estimation method for localization of nodes in a WSN is proposed. In the proposed localization algorithm anchor nodes are used as landmark points. The localization method proposed here does not require any constraint on the placement of the anchors; rather any three randomly chosen nodes can serve as anchors. A heuristic approach is used to find the relative topology with the help of distance matrix. The purpose of the distance matrix is to indicate whether or not a pair of nodes has a connection between them and in case of connectivity it gives the estimated distance between the nodes. By using the information of connectivity between the nodes and their respective distances the topology of the nodes is calculated. This method is heuristic because it uses the point solution from the intersection of two circles instead of conventional triangulation method, where a system of three quadratic equations in two variables is used whereby the computational complexity of the position estimation method is increased. When two connected nodes have another node in common, then by using the information of distances between these interconnected nodes, two possible positions are calculated for the third node. The presence or absence of a connection between the third node and a fourth node helps in finding the accurate possibility out of the two. This process is iterated till all the nodes have been relatively placed. Once the relative topology has been calculated, we need to find the exact symmetry, orientation, and position of this topology in the plane. It is at this moment the knowledge of three nodes positions comes into action. From the relative topology we know the temporary coordinates of the nodes. By having a comparison of certain characteristics between the temporary coordinates and the exact coordinates; first the symmetry of relative topology is obtained that would correspond to the original topology. In other words it tells whether or not the relative topology is a mirror image of the original topology. Some geometrical operators are used to correct the topology position and orientation. Thus, all the nodes in the WSN are localized using exactly three anchors. The last part of the thesis focuses on the detection of faults in a WSN. There is always a possibility that a sensor of a node is not giving accurate measurements all of the time. Therefore, it is necessary to find if a node has developed a faulty sensor. With the precise information about the sensor health, one can determine the extent of reliance on its sensor measurement. To equip a node with multiple sensors is not an economical solution. Thus the sensor measurements of a node are modeled with the help of the fuzzy inference system (FIS). For each node, both recurrent and non-recurrent systems are used to model its sensor measurement. An FIS for a particular node is trained with input variables as the actual sensor measurements of the neighbor nodes and with output variable as the real sensor measurements of that node. The difference between the FIS approximated value and the actual measurement of the sensor is used as an indication for whether or not to declare a node as faulty

Cette thèse considère les réseaux de capteurs sans fil (RCSF) de grande dimension (de l'ordre du million de noeuds). Les questions posées sont les suivantes : comment prédire le bon fonctionnement et calculer avant déploiement les performances d'un tel réseau, sachant qu'aucun simulateur ne peut simuler un réseau de plus de 100 000 noeuds ? Comment assurer sa configuration pour garantir performance, passage à l'échelle, robustesse et durabilité ? La solution proposée dans cette thèse s'appuie sur une architecture de RCSF hétérogène à deux niveaux, dont le niveau inférieur est composé de capteurs et le niveau supérieur de collecteurs. La première contribution est un algorithme d'auto-organisation multi-canal qui permet de partitionner le réseau inférieur en plusieurs sous-réseaux disjoints avec un collecteur et un canal de fréquence par sous-réseau tout en respectant le principe de réutilisation de fréquence. La seconde contribution est l'optimisation du déploiement des collecteurs car leur nombre représente celui des sous-réseaux. Les problèmes traités ont été : l'optimisation des emplacements des puits pour un nombre prédéfini de puits et la minimisation du nombre de puits ou du coût pour un nombre prédéfini de sauts dans les sous-réseaux. Une solution intuitive et appropriée pour assurer à la fois performances réseaux et coût, est de partitionner le réseau inférieur en sous-réseaux équilibrés en nombre de sauts. Pour ce faire, la topologie physique des puits est une répartition géographique régulière en grille (carrée, triangulaire, etc.). Des études théoriques et expérimentales par simulation des modèles de topologie montrent, en fonction des besoins applicatifs et physiques, la méthodologie de choix et le calcul des meilleures solutions de déploiement
This thesis considers the large-scale wireless sensor network (LSWSN) consisting of million nodes. The questions are: how to predict the good working and to compute before deployment the performances of such a network, knowing that no simulator can simulate a network of more than 100000 nodes? How to ensure its configuration to ensure performance, scalability, robustness and longevity? The solution proposed in this thesis is based on a two-tiered heterogeneous architecture of WSN in which the level 1 is composed of sensors and the level 2 of collectors. The first contribution is a multi-channel self-organization algorithm, which allows partitioning the network of level 1 into several disjointed sub-networks with one collector and one frequency channel while respecting the principle of frequency reuse. The second contribution is to optimize the deployment of collectors because their number represents that of sub-networks. The problems addressed were: the optimization of sinks locations for a predetermined number of sinks, and the minimization of financial cost related of the sinks? number, for a predetermined number of hops in the sub-networks. An intuitive and appropriate solution to ensure both network performance and cost is to partition the network of level 1 into balanced sub-networks in number of hops. To do this, the physical topology of sinks is a regular geographical grid (square, triangular, etc.). Theoretical studies and simulation of topology models show, depending on application requirements (node density, charge application, etc.) and physical (radio range, surveillance zone), the methodology of choice and the computation of the best deployment solutions