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N°d'ordre: 08/20 Thèse de doctorat Pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L'UNIVER

N°d'ordre: 08/20 Thèse de doctorat Pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L'UNIVERSITE DE VALENCIENNES ET DU HAINAUT CAMBRESIS Spécialité : ELECTRONIQUE par SHEBLIFady Réseaux de capteurs sans fil Minimisation de la consommation d'énergie et application à la localisation de cibles. Soutenue le : 10/07/2008 devant le jury composé de : Mme. Francine KRIEF Rapporteur Professeur à l'E.N.S.E.I.R. Bordeaux M. Rodolphe VAUZELLE Rapporteur Professeur à l'Université de Poitiers M. Walaa HAMOUDA Examinateur Professeur Associé à l'Université Concordia, Montréal (Québec) M. Jean-Michel ROUVAEN Examinateur Professeur à l'UVHC, Directeur de thèse M. Iyad DAYOUB Examinateur Maître de Conférences à l'UVHC, co-encadrant Mme. Fouzia BOUKOUR Membre Invitée Chargée de recherche INRETS Thèse de doctorat Pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L'UNIVERSITE DE VALENCIENNES ET DU HAINAUT CAMBRESIS Spécialité : ELECTRONIQUE par SHEBLIFady Réseaux de capteurs sans fil Minimisation de la consommation d'énergie et application à la localisation de cibles. Soutenue le: 10107!2008 devant le jury composé de : Mme. Francine KRIEF Rapporteur M. Rodolphe VAUZELLE Rapporteur M. Walaa HAMOUDA Examinateur M. Jean-Michel ROUVAEN Examinateur M. Iyad DAYOUB Examinateur Professeur à l'E.N.S.E.LR. Bordeaux Professeur à l'Université de Poitiers Professeur Associé à l'Université Concordia., Montréal (Québec) Professeur à l'UVHC, Directeur de thèse Maître de Conférences à l'UVHC, co-encadrant Mme. Fouzia BOUKOUR Membre Invitée Chargée de recherche INRETS A mon père, qui aurait tellement voulu assister à ma soutenance, A tous les miens Dédicace REMERCŒMENTS Ce travail de thèse a été réalisé au sein du Département d'Opto-Acousto-Electronique de l'Institut d'Elec- tronique, Microélectronique et Nanotechnologie - UMR CNRS 8520, situé à l'Université de Valen- ciennes et du Hainaut Cambrésis. Ce département a été dirigé successivement, pendant la durée de mes travaux, par Messieurs M. Gazalet et B. Nongaillard. Je tiens à les remercier de leur accueil et de m'avoir permis de réaliser ce projet. J'adresse également mes très sincères remerciements à mes rapporteurs, Madame Francine Krief et Mon- sieur Rodolphe Vauzelle, ainsi qu'à Madame Fouzia Elbahhar et Monsieur Walaa Hamouda, membres demonjury. Je remercie très vivement mon Directeur de thèse, Monsieur Jean-Michel Rouvaen, qui m'a encouragé à me diriger vers la recherche, pour la grande confiance qu'il rn' a accordée et pour la liberté qu'il rn' a lais- sée tout au long de ces années. Je tiens également à remercier infiniment Monsieur Iyad Dayoub. Il m'a constamment soutenu durant toutes les étapes d'un chemin long et parfois difficile et il m'a soutenu et suivi jusqu'au bout. Je les remercie tous deux pour leur disponibilité et pour l'aide qu'ils m'ont apportée durant la réalisation de ce travail. Je remercie également ma famille : mon père, ma mère, ma sœur Mona, et mes frères Mahdi et Hadi, ma femme Nathalie et mes amis. Je n'oublierai pas leurs encouragements, leur soutien lors des moments difficiles. Enfin, je remercie tous les membres du personnel technique et administratif qui ont contribué, d'une manière ou d'une autre, à l'enrichissement et au bon déroulement de cette thèse. Enfin j'exprime aussi mon amitié à tous les membres du laboratoire et mes collègues thésards qui m'ont permis de passer ces quelques années dans une ambiance chaleureuse et conviviale. Que tous trouvent ici l'expression de ma gratitude pour les fructueux échanges quotidiens. Je n'oublie pas non plus l'aide et le soutien qui m'ont été apportés par les membres de ma belle famille, et tout spécialement Maï. Titre Réseaux de capteurs sans fil: minimisation de la consommation d'énergie et application à la localisation de cibles. Résumé Les réseaux de capteurs sans fil possèdent des potentialités intéressantes dans des segments de l'éco- nomie et dans notre vie courante, comme le contrôle et la préservation de 1' environnement, la gestion des outils de fabrication et des outils commerciaux, 1' automatisation des transports et les industries de la santé. La conception, l'implémentation et la mise en oeuvre d'un réseau de capteurs impliquent la colla- boration de nombreuses disciplines. Ces réseaux possèdent souvent des ressources limitées en énergie, ce qui impose de concevoir la couche physique et les protocoles de communication de façon à consommer une énergie minimale. Dans ce travail, notre attention s'est focalisée sur la communication et la minimi- sation de la consommation, de même que sur la localisation d'une cible au sein d'un réseau de capteurs sans fil. Dans les trois premiers chapitres, nous présentons une synthèse rapide des réseaux de capteurs sans fil. Nous discutons de leurs avantages, inconvénients et champs d'application et de la notion de traitement collaboratif. Nous décrivons les principaux standards de communication utilisés ainsi que les protocoles de routage mis en oeuvre. Dans le quatrième chapitre, nous présentons notre contribution à la minimisation de la consommation d'énergie lors du routage et au placement optimal des capteurs. Nos algorithmes sont étayés par des simulations et une comparaison est effectuée avec des résultats présentés dans la littérature. Le cinquième chapitre est consacré à l'étude de la localisation d'une cible fixe. Cette présentation est compéltée par notre contribution à l'élaboration du cahier des charges d'une expérimentation. Mots clés: Réseaux de capteurs, communication, routage, consommation d'énergie, localisation ii Title Wireless sensor networks : minimization of energy consumption and application to target localization Abstract Wrreless sensor networks show promising potentialities in economical sectors and current life, as envi- ronment preservation and control, supervision of .manufacturing tools, transport automation and health industries. The design and implementation of sens or networks involve a number of scientific knowledges. The energy resources of these networks is generally limited, imposing constraints on the design of the physicallayer and communication protocols.ln this work, our attention is focused on communication and energy consumption minimization, together with target localization using wireless sensor networks.In the first three chapters, a synthesis of wireless sensor networks field is presented. We discuss about their ad- vantages, drawbacks and application areas and introduce collaborative processing. We describe the most used communication standards and routing protocols. In fourth chapter, we present our contribution to energy consumption minimization in the routing process and to optimal sensor nodes positioning. Our algorithms are supported by simulations and a comparison with results published in the litterature. The fifth chapter is devoted to the study of fixed target localization. This presentation is complemented by the preparation of an experimentation plan. Keywords : Sensor networks, communication, routing, energy consumption, localization iii Table des matières Introduction Générale 1 1 Généralités sur les réseaux de communication sans fil 3 1.1 Réseaux de communication sans fil . 3 1.1.1 Introduction . . . . . 3 1.1.2 Pourquoi le sans fil ? 3 1.1.3 En quoi les réseaux sans fil sont-ils différents ? 4 1.1.3.1 Absence de frontière physique 5 1.1.3.2 Médium physique dynamique . 5 1.1.3.3 Sécurité 6 1.2 Réseaux Ad-hoc . . . 6 1.2.1 Introduction . 6 1.2.2 Les handicaps des réseaux Ad-hoc 7 1.2.2.1 Les liens asymétriques 7 1.2.2.2 Les interférences dans les réseaux Ad-hoc 8 1.2.2.3 La mobilité des noeuds 9 .. 1.2.2.4 Bande passante limitée 9 1.2.2.5 Contraintes d'énergie .. 9 1.2.2.6 Sécurité physique limitée 9 1.2.3 La recherche dans le domaine des réseaux Ad-hoc 10 1.2.3.1 Les différentes technologies permises . . 10 1.2.3.2 Les sources majeures de pertes d'énergie 11 1.3 Les réseaux de capteurs . 12 1.3.1 Généralités ... 12 1.3.1.1 Définition 12 iv 1.3.1.2 Pourquoi des réseaux de capteurs? 1.3.2 Glossaire pour les réseaux de capteurs . 1.3.3 Contraintes spécifiques ...... . 1.3.4 Avantages des réseaux de capteurs . 1.3.4.1 Avantage énergétique .. 1.3.4.2 Avantage pour la détection 1.3.5 Applications des réseaux de capteurs 1.3.6 Traitement collaboratif . 1.4 Conclusion Bibliographie . . 2 Standards de télécommunication pour les réseaux de capteurs sans fil 2.1 L'interface radio IEEE802.11 . . . . . . . . 2.1.1 Une norme, quelle que soit son nom 2.1.2 L'intérêt de la norme 2.1.3 La bande ISM 2.1.4 Architecture 2.1.5 Les couches de l'IEEE 802.11 2.1.5.1 La couche liaison de données 2.1.5.2 Le protocole CSMA-CA . 2.1.5.3 La couche physique . . . 2.1.6 Domaines d'applications de l'IEEE 802.11 2.2 La couche physique de la norme 802.11 b 2.2.1 Caractéristiques générales 2.2.2 Techniques de modulation 12 13 15 17 18 18 19 22 23 23 27 28 28 28 29 30 31 32 32 33 35 35 35 36 2.2.2.1 La modulation DBPSK (Differentiai Binary Phase-shift keying) 37 2.2.2.2 La modulation DQPSK (Differentiai Quadrature Phase-Shift Keying) 37 2.2.2.3 La modulation CCK pour 5.5 et 11 Mbps et l'étalement de code . 38 2.3 Techniques basées sur l'étalement de spectre . . . . . 2.3.1 Protocole d'étalement et propagation de code 2.3.1.1 Le problème proche-lointain (Ne~-far-problem) 2.3.1.2 L'impact du problème MAI v 40 41 42 43 2.3.2 Protocole CA-COMA ........... . 2.4 La norme Zigbee de communication à courte portée . 2.5 L'Ultra Large Bande ULB . . . . . 2.5.1 Introduction .... 2.5.2 Définition d'un signal ULB 2.5.3 Standardisation des communications ULB 2.5.4 Normalisation aux Etats-Unis ..... 2.5.4.1 Le standard IEEE 802.15.3a . 2.5.4.2 Le standard WiMedia ECMA-368 2.5.4.3 Le standard IEEE 802.15.4a . 2.5.5 Normalisation en Europe ...... . 2.5.6 Avantages et inconvénients de l'ULB 2.5.6.1 Les avantages .. 2.5.6.2 Les inconvénients uploads/Geographie/ 2008vale0022-shebly-fady 1 .pdf