Développement et analyse multi outils d'un protocole MAC déterministe pour un réseau de capteurs sans fil

In this article, we present a multi-tool method for the development and the analysis of a new medium access method. IEEE 802.15.4 / ZigBee technology has been used as a basis for this new determinist MAC layer which enables a high level of QoS. This WPAN can be typically used for wireless sensor networks which require strong temporal constraints. To validate the proposed protocol, three complementary and adequate tools are used: Petri Nets for the formal validation of the algorithm, a dedicated simulator for the temporal aspects, and some measures on a real prototype based on a couple of ZigBee FREESCALE components for the hardware characterization of layers #1 and #2

Approches formelles pour l'analyse de la performabilité des systèmes communicants mobiles (Applications aux réseaux de capteurs sans fil)

Nous nous intéressons à l'analyse des exigences de performabilité des systèmes communicants mobiles par model checking. Nous modélisons ces systèmes à l'aide d'un formalisme de haut niveau issu du p-calcul, permettant de considérer des comportements stochastiques, temporels, déterministes, ou indéterministes. Cependant, dans le p-calcul, la primitive de communication de base des systèmes est la communication en point-à-point synchrone. Or, les systèmes mobiles, qui utilisent des réseaux sans fil, communiquent essentiellement par diffusion locale. C'est pourquoi, dans un premier temps, nous définissons la communication par diffusion dans le p-calcul, afin de mieux modéliser les systèmes que nous étudions. Nous proposons d'utiliser des versions probabilistes et stochastiques de l'algèbre que nous avons défini, pour permettre des études de performance. Nous en définissons une version temporelle permettant de considérer le temps dans les modèles. Mais l'absence d'outils d'analyse des propriétés sur des modèles spécifiés en une algèbre issue du p-calcul est un obstacle majeur à notre travail. La définition de règles de traduction en langage PRISM, nous permet de traduire nos modèles, en modèles de bas niveau supports du model checking, à savoir des chaînes de Markov à temps discret, à temps continu, des automates temporisés, ou des automates temporisés probabilistes. Nous avons choisi l'outil PRISM car, à notre connaissance, dans sa dernière version, il est le seul outil à supporter les formalismes de bas niveau que nous venons de citer, et ainsi il permet de réaliser des études de performabilité complètes. Cette façon de procéder nous permet de pallier à l'absence d'outils d'analyse pour nos modèles. Par la suite, nous appliquons ces concepts théoriques aux réseaux de capteurs sans fil mobiles.We are interested in analyzing the performability requirements of mobile communication systems by using model checking techniques. We model these systems using a high-level formalism derived from the p-calculus, for considering stochastic, timed, deterministic or indeterministic behaviors. However, in the p-calculus, the basic communication primitive of systems is the synchronous point-to-point communication. However, mobile systems that use wireless networks, mostly communicate by local broadcast. Therefore, we first define the broadcast communication into the p-calculus, to better model the systems we study. We propose to use probabilistic and stochastic versions of the algebra we have defined to allow performance studies. We define a temporal version to consider time in the models. But the lack of tools for analyzing properties of models specified with p-calculus is a major obstacle to our work and its objectives. The definition of translation rules into the PRISM language allows us to translate our models in low-level models which can support model checking, namely discrete time, or continuous time Markov chains, timed automata, or probabilistic timed automata. We chose the PRISM model checker because, in our best knowledge, in its latest version, it is the only tool that supports the low-level formalisms that we have previously cited, and thus, makes it possible to realize complete performability studies. This approach allows us to overcome the lack of model checkers for our models. Subsequently, we apply these theoretical concepts to analyse performability of mobile wireless sensor networks.PARIS-CNAM (751032301) / SudocSudocFranceF

La gestion de la qualité de service temps-réel dans les réseaux de capteurs sans fil

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

Stratégie d'adaptation de liens sur canaux radios dynamiques pour les communications entre véhicules (Optimisation de la qualité de service)

Cette thèse traite de l'optimisation des communications dans les réseaux véhiculaires à l'aide d'une plate-forme de simulation réaliste. Un environnement réaliste implique des modèles de mobilité adaptés aux véhicules ainsi que des modèles de couche physique détaillés (modèles decanaux et chaîne de transmission numérique). Notre travail a d'abord consisté à concevoir une plate-forme de simulation réaliste dédiée aux VANETs (Vehicular Ad hoc NETworks). Cette plate-forme a été complétée par un modèle de propagation semi-déterministe que nous avons conçu. L'avantage de ce modèle, appelé UMCRT, est d'avoir un réalisme équivalent à un modèle déterministe tout en réduisant significativement le temps de calcul. Ce modèle a été validé par comparaison avec unsimulateur déterministe à tracé de rayons.Nous avons ensuite utilisé cette plate-forme pour évaluer des protocoles de routage.L'efficacité de ces différents protocoles ad hoc testés en conditions réalistes nous a permis defocaliser notre étude sur les protocoles réactifs. De cette évaluation, nous avons retenu AODV (Ad hoc On demand Distance Vector) auquel nous avons notamment appliqué une métrique cross layer pour pallier la baisse de performance induite par le réalisme. Nous avons ensuite utilisé une technique de tuning appliquée à des protocoles réactifs. Finalement, nous avons évalué différentes couches physiques, SISO (Simple Input Simple Output) et MIMO (Multiple Imput Multiple Output). Ces travaux montrent que seules des améliorations combinées à différents niveaux (physique et réseau) permettraient d'apporter une amélioration significative des performances.This thesis deals with the optimization of communications in vehicular networks by using arealistic simulation platform. A realistic environment implies the usage of mobility modelsadapted to vehicles and also highly detailed physical models (channel models and digital transmission chain). The first part of our work has consisted in the design of a realistic simulation platformdedicated to VANETs (Vehicular Ad hoc NETworks). This platform has been completed by a semi-deterministic propagation model which we have designed. This model called UM-CRThas the advantage to have the same level of realism than a deterministic model while requiringmuch less computation time. This model has been validated by comparison with a deterministicray tracing simulator. We then have used this platform to evaluate routing protocols. The efficiency of different adhoc routing protocols in realistic conditions has led us to focus our study on the family of reactive protocols. From this evaluation we have selected AODV (Ad hoc On demand Distance Vector) to which we have applied a cross-layer metric in order to reduce the performance degradation caused by the realistic environment. We then have used a tuning technique with reactive protocols. Finally, we have evaluated several SISO and MIMO physical layers. This work shows that only improvements combined at different levels (physicaland network) can yield a significant increase in performance.POITIERS-SCD-Bib. électronique (861949901) / SudocSudocFranceF

Modélisation et simulation de réseaux locaux et personnels sans fil : intégration des couches PHY et MAC

Dans ce travail nous nous intéressons à la modélisation des couches MAC et PHY dans le cadre des réseaux sans fil à faible, portée. Il présente les techniques de modélisation utilisées pour l'intégration des couches MAC-PHYs (Medium Access Control and Physical layer) de type IR-UWB (Impulse Radio Ultra Wideband) d'une part, et des nouvelles techniques de transmission à 60GHz incluant le beamforming d'autre part, dans le simulateur GloMoSim/QualNet. La modélisation de IR-UWB est basée sur la prise en compte directe des collisions d'impulsions et de l'interférence multi-utilisateur au niveau de la couche PHY par l'introduction du concept de séquences de réception et la notion d'orthogonalité en réception. L'architecture de modélisation proposée est basée sur l'utilisation d'une matrice d'interférence, elle a été développée en deux étapes : une première modélisation basée sur des trains d'impulsions uniformément espacées et une deuxième modélisation plus complète prenant en compte l'utilisation des séquences de sauts aléatoires également appelés séquences de time hopping. L'évaluation de performances de cette partie est basée sur une application typique des réseaux de capteurs dans le cadre d'une application de détection d'intrusion sur une surface protégée. La modélisation à 60 GHz à pour but la prise en compte des nouvelles techniques d'amélioration du débit, notamment l'agrégation et le beamforming. La prise en compte du beamforming est basée sur la définition, des diagrammes de rayonnement des antennes ainsi que de l'interface MAC-PHY/Antenne. La modélisation des deux protocoles de beamforming définis dans le standard 802.15.3c est également effectuée. L'évaluation de performances de cette partie est basée sur un système de distribution de contenu multimédia.In this work, we focus on physical and medium access control layer modeling and simulation for short range wireless communication. In particular, the modeling of the Impulse Radio Ultra Wide Band technique for wireless sensor networks and the high data rate communication modeling which uses millimeter wave and beamforming. The first part deals with the modeling of Impulse Radio Ultra Wide Band. The proposed model takes into account the pulse collision induced by multiple concurrent transmissions at the physical layer which is also called multi user interference. This aspect is accurately introduced thanks to the concept of reception time hopping sequences of concurrent reception and their orthogonality. The simulation architecture is built using two models: the first model is based on a uniformly distributed pulse train and the second model, more complete, takes into account variable time hopping sequences. The performance evaluation of this part is based on a typical wireless sensor networks application, in which sensor nodes are scattered on a particular area to detect and report intrusion events to a base station. The second part deals with the modeling of high data rate communication using millimeter wave. The targeted goal of millimeter wave transmission is to increase the data rate using some novel techniques: beamforming and data aggregation. Beamforming is modeled on the so-called codebook beamforming defined as the new beamforming technique for high data rate wireless communication standards. A methodology is developed to take into account the radiation pattern defined by the codebook indexes. For each index the gain of the directional antenna is computed for each direction. This is used in the simulation model physical layer to determine the directional antenna gain in a particular direction during the propagation stage. The defined protocols for sector level and beam level training defined in the 802.15.3c draft are also modeled. The performance evaluation of this part is based on a multimedia distribution system

Architecture de communication pour les réseaux d’instrumentation sans fil

Aujourd'hui les réseaux de capteurs sont devenus des systèmes pouvant atteindre un très grand nombre de noeuds, avec une zone de couverture déterminée et déployés d'une manière plus ou moins dense dans un environnement hétérogène dont on mesure ainsi son état global. La problématique de cette thèse consiste à concevoir une architecture pour les objets communicants à faible consommation en utilisant des antennes « intelligentes » pour l'instrumentation et la mesure. Intégrant une approche pluridisciplinaire, cette architecture couvre les services offerts depuis les couches MAC jusqu'à celles de plus haut niveau. Basés sur une partie matérielle complètement reconfigurable (amplificateur de puissance et antennes à base de MEMS RF), les services des couches supérieures sont définis en partie sur circuits numériques pour la couche physique (bande de base) et la couche MAC, et de manière logicielle pour les protocoles de routages adaptés et les services innovants. En résumé, le travail consiste à concevoir un système autonome multi capteurs, d'acquisition et de traitement avec mémorisation, communicant à travers un réseau sans fil. Les principaux problèmes à résoudre seront : le contrôle de la topologie, la précision de la synchronisation, la consommation d'énergie. ABSTRACT : Researches in the field of sensor networks show the variety and vastness of applications in which these types of systems are used. One of their main features is the large number (up to hundreds of elements) of sensors that must be distributed in different environments. Another concern consists in making routing decisions in order to reduce the energy consumption. Depending on the application requirements, ensuring synchronous network functionality is currently a challenge. The issue addressed in this thesis is to develop an architecture for smart objects using low-power antennas for structural heald monitoring. Integrating a multidisciplinary approach, this architecture includes services from the MAC layer to those of the highest level. In summary, we will develop an autonomous system ofi sensors, for acquisition and information processing, which communicate via a wireless network. The main problems are: the control of topology, the timing accuracy and the energy consumption

Sécurisation par dynamiques chaotiques des réseaux locaux sans fil au niveau de la couche MAC

The security of wireless sensor network is a growing field of research hampered by limited battery life time and computing constraints. The originality of this thesis is to provide Low Power chaotic cryptosystems for sensor networks more suitable than conventional algorithms and achieve an implementation on a real platform.. We present first a state of the art of wireless networks, threats and constraints of the security process as well as conventional cryptographic techniques. We give an overview of the chaos theory and we validate the randomness of several chaotic maps by the NIST statistical tests. Then, we propose new methods of chaotic S-Box construction, while demonstrating their robustness against traditional attacks. Finally, we propose a new image encryption algorithm dedicated to wireless sensor network. Validation of our contributions is performed by simulation and experimental measurements on a platform of real sensor networks (SensLab).Les travaux de recherche de cette thèse s’inscrivent dans le cadre de la sécurité par chaos des réseaux locaux sans fil, en particulier les réseaux de capteurs sans fil. L’originalité de cette thèse consiste à proposer des cryptosystèmes à base de chaos plus adaptés aux réseaux de capteurs, en termes de consommation d’énergie, que les algorithmes conventionnels et à réaliser une implémentation sur une plateforme réelle. Nous présentons en premier lieu un état de l’art des réseaux, les menaces, les contraintes limitant le processus de sécurité des informations ainsi que les principales techniques de cryptographie. Nous donnons un aperçu sur la théorie de chaos et nous validons l’aspect aléatoire de plusieurs suites chaotiques par les tests statistiques du NIST. Nous proposons ensuite des nouvelles méthodes de construction de S-Box chaotiques tout en prouvant leur robustesse contre les attaques traditionnelles. Nous proposons enfin un nouvel algorithme de cryptage d’image dédié au réseau de capteurs sans fil. La validation de nos contributions est effectuée par simulation et par des mesures expérimentales sur une plateforme de réseaux de capteurs réels (SensLab)

Définition et implémentation d'un modèle causal d'exécution temps-réel distribuée

Co-encadrement de la thèse : Bruno SteuxThis work is part of the AROS project. Its goal is to define a fast prototyping tool for dynamic and distributed real-time applications, mostly for automotive industry and robotic. Two distinct methods are normally used to develop distributed real-time applications. The first one -the time triggered approach- is based on worst execution time analysis, whereby time sharing for the various tasks of an application is statically defined. This approach offers considerable safety but the time analysis is sometimes difficult to process. The second one -the priority scheduling approach- is based on ascribing a priority level to each task, which will then allow the system to define an execution order, based on the events is has received. This second approach is more flexible and easier to implement but is less safe and cannot ensure that the application behaves predictably. The structure of the AROS applications being dynamic, the time-triggered approach is irrelevant as it requires a static analysis that cannot be conducted. The priority scheduling approach is also irrelevant because of the non predictable behaviour. We propose an approach based on causal events scheduling inspired by distributed event simulators scheduling techniques. While comparatively easy to use for application designers, this new approach produces applications with a perfectly predictable behaviour. Two main obstacles must be overcome: the real time synchronisation of the execution engine and compliance with real-time constraints.Ces travaux s'inscrivent dans le cadre du projet AROS (Automotive Robust Operating Services). Il a pour objectif de proposer un outil de prototypage rapide d'applications dynamiques distribuées temps-réel, principalement dans le domaine de l'automobile et de la robotique. Les applications distribuées temps-réel sont traditionnellement développées selon deux approches. La première, l'ordonnancement temporel, est basée sur l'analyse du pire temps d'exécution (worst execution time). Un partage du temps entre les différentes tâches de l'application est établi de façon statique. Cette technique offre une grande sureté de fonctionnement au prix d'une analyse temporelle parfois difficile à mener. La seconde, l'ordonnancement par priorité, est basée sur l'attribution à chaque tâche d'un niveau de priorité qui permet d'établir l'ordre d'exécution en fonction des évènements reçus par le système. Cette seconde technique, plus souple à mettre en œuvre, offre moins de garanties et conduit à un comportement non déterministe de l'application. La structure des applications AROS étant dynamique, l'approche temporelle est exclue car elle demande une analyse statique qu'il est impossible de produire. L'approche basée sur les priorités d'exécution est également exclue à cause de son non déterminisme comportemental. Nous proposons une approche basée sur un ordonnancement évènementiel causal inspirée des techniques d'ordonnancement des simulateurs évènementiels distribués. Tout en étant relativement simple à utiliser pour le concepteur d'application, cette technique produit des applications dont le comportement est parfaitement déterministe. Deux principales difficultés sont à surmonter : la synchronisation en temps-réel du moteur d'exécution et le respect des contraintes temps-réel