Contribution to quality of service in wireless sensor networks

L’apparition récente de petits capteurs peu couteux fonctionnant sur batteries, capables de traiter les données acquises et de les transmettre par ondes radio ont le potentiel de révolutionner les applications de surveillance traditionnelles. Les réseaux sans fils composés de nœuds capteurs autonomes proches de la cible à surveiller permettent des tâches de surveillance précises allant du contrôle de la température dans des bâtiments jusqu`a la détection de feux de forêt. Récemment, de nouvelles applications de réseaux de capteurs sans fil telles que des applications multimédia ou dans le domaine de la santé ont émergé. Les réseaux sous-jacents déployés pour ces applications sont souvent compos´es de nœuds hétérogènes comportant différents capteurs et doivent fournir un niveau de service conforme aux exigences des différents types de trafic en s’adaptant à la charge variable. Cependant, concevoir des protocoles efficaces adaptés à ces applications tout en s’accommodant des ressources limitées des réseaux de capteurs est une tâche difficile. Dans cette thèse, nous nous focalisons sur le support de la qualité de service au niveau de la couche MAC, car cette couche conditionne et détermine largement les performances du réseau étant donné qu’elle est responsable de l’organisation de l’accès au canal. Dans un premier temps, nous étudions les contraintes spécifiques des applications ayant des exigences fortes ainsi que des applications hétérogènes et nous examinons les travaux proposés dans la littérature. Etant donné l’inadéquation des solutions existantes en présence d’un trafic important, nous proposons AMPH, un protocole MAC adaptatif avec qualité de service pour les réseaux de capteurs sans fil hétérogènes. Notre solution consiste en une méthode d’accès au canal hybride basée sur le multiplexage temporel, dans laquelle tous les nœuds peuvent accéder au canal à chaque division de temps en utilisant un nouveau mécanisme de compétition qui favorise le trafic prioritaire. Grâce à ces techniques, AMPH utilise efficacement le canal quelque soit la charge de trafic et assure une latence faible au trafic temps réel. Nous vérifions les performances d’AMPH à l’aide de simulations et d’un modèle mathématique.The availability of small, low-cost, battery operated devices capable of sensing, performing simple processing and transmitting data via wireless communications have the potential to revolutionize traditional monitoring applications. Wireless networks composed of autonomous sensor nodes enable ubiquitous monitoring tasks from environmental control of office buildings to the detection of forest fires. Recently, new applications for wireless sensor networks such as healthcare and multimedia applications have emerged. These applications often have heterogeneous sensing capabilities and require that the network supports different types of QoS-constrained traffic at variable rates. However, designing efficient protocols that provide an appropriate level of performance to these applications while coping with the limited resources of sensor networks is a challenging task. In this thesis, we focus on QoS provisioning at the MAC layer. Since this layer is responsible for the organization of channel access, it determines to a large extent the overall performance of the network. We start by studying the specific requirements of demanding and heterogeneous applications, then we discuss related work of the literature. Given the inadequacy of existing solutions in the presence of important traffic loads, we propose AMPH, an adaptive MAC protocol with QoS support for heterogeneous wireless sensor networks. Our solution is a hybrid channelaccess method based on time division where all nodes may contend to access the channel at each time slot using a new contention mechanism which favors high priority traffic. Through these efficient techniques, AMPH achieves high channel utilization under variable traffic loads and provides low latency to real-time traffic. We verify the efficiency of AMPH through simulation experiments and a mathematical analysis