Dissertations / Theses on the topic 'Canaux de fondu sans fil'

La thèse aborde d'abord le pire goulot d'étranglement de la mise en cache codée sans fil, qui est connue pour diminuer considérablement les gains de multidiffusion assistée par cache. Nous présentons un nouveau schéma, appelé mise en cache codée agrégée, qui peut récupérer entièrement les gains de mise en cache codée en capitalisant sur les informations partagées apportées par la contrainte de taille de fichier effectivement inévitable. La thèse passe ensuite à des scénarios avec des émetteurs avec des réseaux multi-antennes. En particulier, nous considérons maintenant le scénario multi-utilisateurs assisté par cache multi-antennes, où l'émetteur multi-antennes délivre des flux de mise en cache codés, pouvant ainsi servir plusieurs utilisateurs à la fois, avec des chaînes de radio fréquences (RF) réduites. Ce faisant, la mise en cache codée peut aider un simple formateur de faisceau analogique (une seule chaîne RF), entraînant ainsi des économies considérables d'énergie et de matériel. Enfin, après avoir supprimé la limitation de la chaîne RF, la thèse étudie les performances de la technique de mise en cache codée par vecteur et révèle que cette technique peut atteindre, sous plusieurs hypothèses réalistes, une augmentation multiplicative du taux de somme par rapport à la contrepartie optimisée multi-antennes sans cache. En particulier, pour un système MIMO de liaison descendante déjà optimisé pour exploiter à la fois les gains de multiplexage et de formation de faisceaux, notre analyse répond à une question simple: quelle est l'augmentation de débit multiplicative obtenue en introduisant des caches côté récepteur de taille raisonnable ?
The thesis first addresses the worst-user bottleneck of wireless coded caching, which is known to severely diminish cache-aided multicasting gains. We present a novel scheme, called aggregated coded caching, which can fully recover the coded caching gains by capitalizing on the shared side information brought about by the effectively unavoidable file-size constraint. The thesis then transitions to scenarios with transmitters with multi-antenna arrays. In particular, we now consider the multi-antenna cache-aided multi-user scenario, where the multi-antenna transmitter delivers coded caching streams, thus being able to serve multiple users at a time, with a reduced radio frequency (RF) chains. By doing so, coded caching can assist a simple analog beamformer (only a single RF chain), thus incurring considerable power and hardware savings. Finally, after removing the RF-chain limitation, the thesis studies the performance of the vector coded caching technique, and reveals that this technique can achieve, under several realistic assumptions, a multiplicative sum-rate boost over the optimized cacheless multi-antenna counterpart. In particular, for a given downlink MIMO system already optimized to exploit both multiplexing and beamforming gains, our analysis answers a simple question: What is the multiplicative throughput boost obtained from introducing reasonably-sized receiver-side caches?

L’utilisation des communications multi-canaux au niveau des protocoles MAC (MAC multi-canaux) dans les réseaux sans fil peut améliorer significativement le débit du réseau par rapport aux protocoles MAC mono-canal en permettant à plusieurs transmissions concurrentes d’avoir lieu simultanément sans interférence sur différents canaux non recouverts. Cependant, l’environnement multicanaux ajoute une nouvelle dimension aux protocoles MAC qui nécessite un nouveau mécanisme appelé "le mécanisme d’allocation des canaux" pour coordonner l’utilisation des canaux. Le rôle de ce mécanisme est de permettre aux nœuds de s’accorder sur le canal qui doit être utilisé et à quel moment pour la transmission de données dans un contexte distribué. L’absence de ce mécanisme ou une mauvaise coordination de l’utilisation des canaux peut produire l’effet inverse de celui recherché. Ainsi, l’efficacité d’un protocole MAC multi-canaux dépend strictement de l’efficacité du mécanisme d’allocation des canaux, qui par ailleurs, doit offrir les garanties nécessaires au fonctionnement de la communication multi-canaux. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la modélisation, l’analyse et la conception de nouveaux protocoles MAC multi-canaux dans les réseaux sans fil. Dans un premier temps, nous nous focalisons sur la spécification formelle et la vérification des propriétés fondamentales inhérentes aux activités de l’allocation des canaux et son impact sur le transfert de données des principales approches MAC multi-canaux proposées dans la littérature. Dans un second temps, nous visons à proposer, modéliser et à analyser formellement deux nouveaux protocoles MAC multicanaux résultants de l’analyse qualitative réalisée. Enfin, une étude quantitative et comparative est menée afin d’analyser les performances des protocoles proposés en terme de débit et d’impact du temps de commutation entre les canaux
The use of multi-channel communications in MAC protocols (multi-channel MAC) for wireless networks can significantly improve the network throughput compared with single channel MAC protocols since concurrent transmissions can take place simultaneously on distinct non-overlapping channels without interfering. However, due to the multi-channel environment, a novel issue must be addressed in MAC protocols, which is called "the channel assignment mechanism" in order to coordinate the channels access. The role of this mechanism is to enable nodes to agree on which channel should be used and when for data transmission in a distributed way. The absence of this mechanism or a bad coordination of the channel usage can incur the opposite effect to that intended. Thus, the efficiency of a multi-channel MAC protocol depends strictly on the efficiency of the channel assignment mechanism, which also must provide the guarantees necessary to the good behavior of the multi-channel communications. In this thesis, we focus on the modeling, analysis, and design of new multi-channel MAC protocols in wireless networks. Firstly, we focus on the formal specification and verification of fundamental properties inherent to the activities of the channel assignment and its impact on the data transfer for the main multi-channel MAC approaches proposed in the literature. Secondly, we aim to propose, model and analyze formally two new multichannel MAC protocols, resulting from the qualitative analysis conducted. Finally, a quantitative and comparative study is conducted to analyze the performance of the proposed protocols in terms of the throughput and the impact of the switching time between channels

Les modèles des canaux multi-trajets dans les systèmes de communication modernes tendent à exhiber une structure éparse (dispersée) selon Cotter (2002, p. 374) et un grand nombre de trajets résolus comme le mentionne Tse et Vishwanath (2005, p. 32). La théorie de l’acquisition compressée a orienté l’effort de recherche vers l’exploitation de cette caractéristique pour améliorer les performances des estimateurs tout en réduisant le nombre d’observations requis pour l’estimation. Ce travail vise l’adaptation de l’algorithme sparse recursive least squares (SPARLS), utilisé pour l’estimation des canaux épars par Babadi, Kalouptsidis et Tarokh (2008), pour faire l’égalisation tout en investiguant l’apport en performances de la dispersion des canaux en estimation et en égalisation. Cette étude s’étend pour toucher l’aspect implémentation de SPARLS à la recherche d’une solution matérielle qui permet de profiter de la dispersion pour rencontrer les contraintes de l’égalisation en temps réel pour les récepteurs wideband code division multiple access (WCDMA), pour ce faire, nous allons évaluer les performances de cette nouvelle méthode à travers une étude comparative avec l’algorithme classique recursive least squares (RLS). Dans un contexte d’estimation de canal, les critères d’évaluation sont principalement : la précision, le taux de convergence et la complexité de calcul. La précision est évaluée à travers l’évolution de la valeur stationnaire de l’erreur quadratique moyenne (EQM) en fonction du rapport signal sur bruit (RSB). À travers son comportement temporel, l’EQM reflète aussi le taux de convergence de la technique considérée et par ailleurs sa capacité de poursuite des variations du canal. À ces critères s’ajoute le taux d’erreur symbole dans le contexte de l’égalisation. Cette mesure dévoile la robustesse des méthodes évaluées sous différentes conditions de distorsion de canal. La technique SPARLS prouve sa supériorité en estimation de canal et devance la nouvelle variante de RLS que nous avons proposée pour promouvoir la dispersion le long du processus de l’estimation. Nous avons réussi à faire fonctionner SPARLS en égaliseur, toutefois, ses performances en taux d’erreur symbole restent sous-optimales en attente d’une étude statistique pour déterminer les valeurs adéquates de ses paramètres prédéfinis. Pour gérer l’irrégularité du calcul due au caractère dispersé des variables, nous avons opté pour un partitionnement de l’implémentation entre un processeur de traitement de signal et un fieldprogrammable gate array (FPGA). Cette solution assurera la flexibilité nécessaire pour exploiter la dispersion tout en garantissant un rapport coût-efficacité raisonnable.

La protection des données dans les systèmes multimédia sans fil est un enjeu majeur. Ainsi, le nouveau standard de représentation d’image JPEG 2000 spécifie dans sa onzième partie (JPEG 2000 sans fil), des techniques de protection afin d’améliorer la robustesse des images et vidéos JPEG 2000 contre les erreurs de transmission dans ces réseaux. Bien que la norme JPEG 2000 définisse les codes de Reed-Solomon (RS) à utiliser, elle ne spécifie pas de méthodes de sélection de ces codes. Dans cette étude nous analysons des traces réelles de canaux sans fil de type 802. 11 puis nous en déduisons un modèle comportemental d’erreur au niveau applicatif dans les réseaux sans fil (modèle de Gilbert). A partir des modèles de Gilbert obtenus, nous proposons une méthodologie de compensation de perte a priori qui consiste à sélectionner empiriquement les codes RS. Nous montrons que les performances en termes de Peak Signal to Noise Ratio (PSNR) de la méthodologie de compensation de perte a priori sont supérieures à celles d’une transmission sans protection. Toutefois, l’efficacité de la méthodologie de compensation de perte a priori est limitée car cette dernière n’est pas en mesure d’adapter le niveau de protection des données aux changements de l’environnement de transmission. Nous proposons alors une méthodologie de compensation de perte dynamique qui est basée sur la protection inégale des couches de qualité des images et vidéos JPEG 2000. Cette méthode offre des performances de l’ordre de 10% supérieures aux méthodes proposées dans la littérature telles que la méthode de protection proposée par Zhaohui Guo et al tant en termes de PSNR que de taux de décodage d’image avec succès. Malgré l’avantage que présentent ces méthodes du fait de leur faible complexité ces méthodes sont sub-optimales car elles n’exploitent pas la différence entre les paquets d’une même couche de qualité. Nous proposons alors une méthodologie de compensation de perte optimale basée sur la protection inégale des paquets JPEG 2000. Pour des canaux fortement perturbés et pour des images constituées d’un nombre raisonnable de paquets JPEG 2000 (inférieur à 1000 paquets), la compensation de perte optimale offre des performances supérieures aux techniques précédentes tout en offrant l’avantage d’être légèrement plus complexe. Au-delà des méthodologies de protection proposée, notre étude se veut être un pas vers la garantie de Qualité de Service (QoS) dans les applications multimédia sans fil
Nowadays, data protection against transmission errors in wireless multimedia systems is a crucial issue. JPEG 2000, the new image representation system, addresses this issue by defining in its 11th part (Wireless JPEG 2000 - JPWL) some tools such as Forward Error Correction with Reed-solomon (RS) codes in order to enhance the robustness of JPEG 2000 based images and videos against transmission errors. Although JPWL defines a set of RS codes for data protection, it does not specify how to select those codes in order to handle error rate in wireless multimedia systems. In our work, based on the analysis of 802. 11 based Ad-hoc network traces, we first derive application level channel models (Gilbert model). Then, we propose a methodology for JPEG 2000 images and videos protection with a priori and empiric channel code rate selection. We highlight the interest of the a priori FEC allocation methodology by comparing it to non protected data transmission. We show that the effectiveness of the proposed scheme can be drastically reduced when the channel state changes because the FEC rate allocation is not adaptative. In this context, we propose a dynamic FEC rate allocation methodology which is a layer-based unequal error protection scheme. We demonstrate the effectiveness of this scheme thanks to a wireless client/server JPEG 2000 based images and video streaming application. The dynamic FEC rate allocation scheme overcomes in order of 10% other existing schemes such as the layer-based unequal error protection scheme proposed by Zhaohoui Guo et al both in terms of Peak Signal to Noise Ratio (PSNR) and successful image decoding rate. However, despite their effectiveness layer-based schemes are sub-optimal because they do not take into account the importance of data packets which limits their performances particularly in highly varying environments. We then propose an optimal FEC rate allocation methodology which is a packet-based unequal error protection scheme. The proposed scheme is slightly more complex than layer-based schemes as far as the number of packets constituting the JPEG 2000 image is low (under 1000 packets) and it offers superior performances in terms of PSNR and successful decoding rate. However, if the number of JPEG 2000 packet is significantly important (more than 1000 packets) the optimal methodology can be inefficient for real-time streaming application due it complexity. Beyond the proposition of FEC rate allocation methodologies, our work can be viewed as a step toward the guaranty of Quality of Service (QoS) in wireless multimedia applications

Le thème principal de cette thèse est la communication efficace sur canaux sans fil. La thèse traite de la communication sur les canaux dits à évanouissements uniformes (en anglais flat fading), qu'il s'agisse de canaux sélectifs en fréquence, en temps, ou les deux. Nous considérons des schémas de communication à une (en abrégé SISO, pour l'anglais single input single output) ou plusieurs (resp. MIMO, multiple input multiple output) entrées/sorties. Sur une telle variété de canaux possibles, le sens donné au concept d'efficacité varie suivant le contexte. La première partie de cette thèse traite de la communication sur des canaux sélectifs en fréquence dans UMTS HSDPA. Ici, nous proposons des techniques d'égalisation en vue d'améliorer le débit de données que l'on peut atteindre au niveau du récepteur. Dans ce contexte, un récepteur est plus efficace qu'un autre lorsque, à canal identique, il peut atteindre un débit supérieur. Dans cette partie, nous proposons et analysons la conception de récepteurs pour le protocole HSDPA, pour des systèmes SISO et MIMO, les canaux étant sélectifs en fréquence. La deuxieme partie de la thèse est de nature plus exploratoire. L'objectif principal de cette partie est d'analyser théoriquement le gain de diversité d'égaliseurs linéaires de faible complexité, et d'égaliseurs non-MLE, et de comparer leurs gains de diversité à celui du MLE optimal. Nous verrons que, pour la transmission sur des canaux sans fil qui pouvant être modelisés par les modèles CE-BEM, nous pouvons montrer que la diversité des gains non-ML et MLE est la même
The first part of the thesis studies receiver designs that maximize the data throughput in the high speed downlink packet access (HSDPA). We propose two-stage equalization for both single antenna (SISO) and multiple antenna (MIMO) frequency selective channels. The first stage consists of chip-level processing and the second stage of processing takes place at the symbol level. The second part of the thesis is devoted mainly to theoretical analysis of the diversity order of linear equalization (LE) for transmission in fading channels. We show here that the same precoder also allows linear, decision feedback and ``hybrid" equalization schemes to achieve the same diversity gains as that of MLE. We also devote our attention to low-complexity implementations of these full diversity equalizers. It also appears that a redundancy proportional to channel delay spread is largely enough to allow MLE to collect full channel diversity. We present simulation results that support this observation. In the final part of the thesis we study communication over flat fading multiple input multiple output (MIMO) interference channels (IFC). We address here the most general case of the MIMO IFC and are able to show that, when an IA solution exists, these conditions are satisfied at every step of the proposed recursive algorithm and that an IA solution does not exist when these conditions are not satisfied

Ce mémoire se focalise sur les systèmes de communication sans fil ayant plusieurs antennes en réception et en émission. D’abord, on étudie les performances de ces systèmes en se basant sur un schéma de multiplexage spatial en transmission et sur un détecteur ML en réception. Ensuite, on met en avant des techniques adaptatives pour les systèmes MIMO : modulationadaptative et sélection d 'antennes. La première adapte les modulations en émission en fonctiondes conditions radio afin de maximiser l’efficacité spectrale tout en respectant une contrainte sur la probabilité d’erreur. Alors que la deuxième, sélectionne un sous ensemble d’antennes actives pour optimiser le critère de sélection (par exemple : maximiser la capacité, etc. ) étant donnée une estimation de canal. Les deux techniques adaptatives ont besoin d’une métrique pour évaluer les performances du système MIMO. On propose donc un nouveau schéma de modulation adaptative et un nouvel algorithme de sélection d’antennes où l’approximation de la probabilité d’erreur obtenue précédemment est utilisée comme métrique. Finalement, on considère la quantification des canaux MIMO. Cette quantification, ou dans notre terminologie classification, permet de faire une partition de l’ensemble des canaux MIMO en des classes différentes, où chaque classe est identifiée par un représentant. Cette méthode peut être utilisée pour les techniques adaptatives afin de trouver le meilleur jeu de paramètre. Dans ce chapitre, on décrit l’ algorithme de classification et on illustre son application pour les systèmes MIMO à boucle fermée comme le " beamforming "
This thesis report focuses on wireless communication systems with multiple transmit and multiple receive antennas. At first, we study the performance of such systems assuming a spatial multiplexing scheme at the transmitter and an ML detection at the receiver. We derive an accurate approximation for the conditional error probability on a quasi static channel. This approximation is computed when distinct modulations are applied on the transmit antennas and for any MIMO channel configuration. Then, we outline some adaptive techniques for MIMO systems: adaptive modulation and antenna selection. The first one adjusts the modulations on transmit antennas according to the channel conditions in order to maximize the spectral efficiency while satisfying a constraint on error probability. The second technique selects the set of active antennas to optimize the chosen selection criterion (e. G. Maximize the capacity, etc) providing a channel estimation. Both adaptive techniques need a relevant matric to evaluate the MIMO system performance. We propose a new adaptive modulation scheme and antenna selection algorithm where the derived error probability approximation is used as a selection metric. Finally, we consider the quantization of MIMO channels. This quantization, in our terminology classification, allows the partitioning of MIMO channels set into different classes, where each class is identified by a representative. This method could be used for adaptive techniques to find the best adjustable parameters. We describe our MIMO classification algorithm and we illustrate its application for closed-loop MIMO systems, e. G beamforming

La problématique traitée est l'amélioration du débit utile des réseaux sans fil ad hoc multi-sauts. Le partage du support par tous les nœuds du réseau implique une nécessité de gérer les interférences. La portée radio limitée des nœuds qui utilisent des fréquences libres génère également des contraintes de distance entre l’émetteur et le récepteur. Ces différents facteurs limitent les performances du réseau tel que le débit utile. Nous proposons donc une solution basée sur l'utilisation de plusieurs bandes de fréquence ou canaux et de plusieurs cartes réseaux ou interfaces par nœud pour résoudre ce problème. Nous améliorons le débit utile grâce à une allocation efficace des canaux aux liens de communication combinée à une métrique de routage adaptée à ce type de réseau qui privilégie l'alternance des canaux de qualité correcte et un mécanisme de contrôle de puissance qui favorise la réutilisation de ces canaux
We consider the problem of throughput improvement in multi-hop ad hoc networks. The shared radio medium implies to handle the interferences between the nodes in the network. The limited node radio range also mandates some constraints such as the distance between the transmitter and the receiver. These two main facts limit the network performance, notably the throughput. We propose a solutio~ that takes advantage of nodes equipped with multiple network cards (interfaces) and that use multiple frequency bands (channels) for transmitting data. We improve the network throughput by combining an efficient transmission link channel assignment with a suitable routing metric that privileges the alternation of good quality channels along the routes. A power control mechanism complements that scheme by favouring each channel reuse

Les réseaux maillés sans fil avec la radio cognitive sont constitués des routeurs de maille avec la capacité cognitive qui sont interconnectés entre eux par des liaisons sans fil permettant l’acheminement du trafic en relais et certains d’entre eux jouent le rôle de passerelle afin d’accéder au réseau internet. La capacité cognitive est une manière économique pour augmenter la bande passante disponible, mais elle nécessite un mécanisme de gestion adaptative de bande passante pour faire face aux dynamiques des activités des utilisateurs primaires. Dans cette thèse, nous modélisons les opérations conjointes d'allocation des canaux et le routage des connexions des usagers secondaires (sans licence d’accès) dans les réseaux maillés sans fil avec la radio cognitive. Le processus d'allocation des canaux inclut les opportunités de réutilisation des canaux afin d’améliorer la performance du réseau. On définit un cadre économique pour l'adaptation et le contrôle des ressources du réseau qui nous permet l’intégration du processus de routage avec celui d’allocation de canaux avec le but de la maximisation du profit du réseau. Le cadre économique est basé sur la notion du prix caché dépendant de l’état du noeud qui est dérivée de la théorie de la décision de Markov en mode décomposé. Les prix cachés des noeuds sont utilisés comme les métriques de routage tandis que leurs valeurs moyennes sont utilisées pour allouer des canaux parmi les différents noeuds. Le déploiement de ce modèle décomposé possède l’avantage d’implémentation décentralisée des processus utilisés dans le cadre économique qui permet leurs exécutions en temps réel. Les routages des connexions des usagers secondaires sont réalisés sans endommager les transmissions des usagers primaires et sans créer de l’interférence avec les transmissions d’autres usagers secondaires. Les canaux cognitifs sont utilisés de manière opportuniste et l’accès prioritaire de l’usager primaire dans sa bande de fréquence (son canal) est modélisé par la préemption. Les connexions d’usagers secondaires sont considérées homogènes et nous abordons uniquement l'adaptation de capacité à court terme dans lequel le nombre de canaux disponibles au réseau est constant et par ailleurs nous présumons aussi qu'il y a toujours un nombre suffisant d'interfaces radio lorsque les canaux sont réaffectés aux noeuds. Les résultats sont portés sur les deux cas de non-réutilisation et de réutilisation des canaux et pour chaque cas la performance obtenue confirme le modèle théorique d’optimisation présenté dans les chapitres correspondants. Par ailleurs, deux approches heuristique et analytique de calcul de la capacité sont comparées manifestant les mêmes performances. Les résultats de simulation illustrent la maximisation du profit du réseau et l'efficacité du schéma d'allocation des canaux proposé qui est intégré avec l'algorithme de réutilisation des canaux.

Dans cette thèse, on s'est intéressé à l'étude des canaux de diffusion avec des contraintes de transmission pratiques. Tout d'abord, on a étudié l'impact de la contrainte pratique de l'utilisation d'un alphabet fini à l'entrée du canal de diffusion Gaussien avec deux utilisateurs. Deux modèles de canaux de diffusion sont considérés lorsqu'il y a, en plus d'un message commun pour les deux utilisateurs, (i) un message privé pour l'un des deux utilisateurs sans contrainte de sécurité (ii) un message confidentiel pour l'un des deux utilisateurs qui doit être totalement caché de l'autre utilisateur. On a présenté plusieurs stratégies de diffusion distinguées par leur complexité d'implémentation. Plus précisément, on a étudié les régions des débits atteignables en utilisant le partage de temps, la superposition de modulation et le codage par superposition. Pour la superposition de modulation et le cas général du codage par superposition, les régions des débits atteignables maximales sont obtenues en maximisant par rapport aux positions des symboles dans la constellation et la distribution de probabilité jointe. On a étudié le compromis entre la complexité d'implémentation des stratégies de transmission et leurs efficacités en termes de gains en débits atteignables. On a étudié aussi l'impact de la contrainte de sécurité sur la communication en comparant les débits atteignables avec et sans cette contrainte. Enfin, on a étudié les performances du système avec des schémas d'accusés de réception hybrides (HARQ) pour un canal à écoute à évanouissement par blocs lorsque l'émetteur n'a pas une information parfaite sur l'état instantané du canal mais connait seulement les statistiques. On a considéré un schéma adaptatif pour la communication sécurisée en utilisant des canaux de retour à niveaux multiples vers l'émetteur pour changer la longueur des sous mots de code à chaque retransmission afin que le débit utile secret soit maximisé sous des contraintes d'"outages".

Afin de permettre une amélioration des performances des transmissions radio, et donc une augmentation des débits, les algorithmes de traitement d'antennes sont depuis longtemps utilisés. De plus, la multiplication des standards de communication ainsi que la relative surcharge actuelle du spectre radioélectrique nous encourage à considérer les structures de réception multi-standards et multi-canaux. Dans un tel contexte d'interopérabilité entre les différents modes radio, le concept de Radio Logicielle correspondant à une utilisation réduite des parties hardware au profit de la partie numérique nous apparaît très intéressant. Une structure de réception combinant donc les principes de traitement multi-antennes, multi-canaux et multi-standards (appelée multi-*) à base de Radio Logicielle nous semble être particulièrement innovante et intéressante. Nous nous sommes au cours de cette thèse orienté vers l'étude d'un récepteur multi-antennes, capable de traiter des signaux suivant les standards 802. 11b et 802. 11g et présents dans une bande de 40 MHz (alors qu'un canal WLAN occupe une bande de 20 MHz). De plus, nous proposons une validation globale de notre structure envisagée, de manière à ce que chaque partie critique du récepteur ne fasse pas l'objet d'une étude séparée. Cette étude globale doit permettre de proposer un dimensionnement optimal des algorithmes prévus en fonction du compromis complexité, coût/performances. Les performances de notre structure multi-* sont donc présentés dans cette thèse. Nous considérons d'abord un environnement de ropagation réaliste que nous caractérisons. Ainsi les éventuels écarts entre les performances obtenues et les prévisions théoriques sont justifiés. Ensuite, une prise en compte des différents défauts introduits par l'étage de conversion en bande de base est également proposée et nous montrons que le traitement d'antenne permet un relâchement des contraintes hardware. Enfin, une architecture numérique capable de traiter simultanément deux canaux WLAN reçus sur plusieurs antennes est proposée en vue d'une implantation matérielle
A multi-antenna receiver structure able to deal with two 802. 11 b and/or 802. 11 g signais simultaneously in a 40 MHz bandwidth (different to the classical WLAN bandwidth 20 MHz) is defined in this thesis. This structure seems to be very relevant in order to increase QoS taking into account problem of spectral resources. Moreover, a global system evaluation scheme of the multi-* structure is proposed. So, each critical part of the receiver is not considered separately but in a global system approach. First of all, the benefits of the SIMO processing, taking into realistic propagation conditions is given in several multi-* configurations. Ln a second part of the work, it is showed the capability of the 1 x2 SI MO processing to mitigate the effect of RF impairments. After all, a numerical architecture ensuring the processing of both WLAN channels simultaneously received by the multi-branches is validate in order to develop a material demonstrator

Le besoin d'améliorer la capacité des réseaux sans-fil, pour la transmission de données et les applications multimédia des systèmes de communications numériques, a amené à s'intéresser aux techniques de communication MIMO (Multiple Input Multiple Output) pour augmenter le débit et la qualité des transmissions. Les systèmes MIMO se servent de réseaux d'antennes, à la fois à l'émission et à la réception d'une communication radio et ainsi exploitent la dimension spatiale pour la transmission de l'information. Les performances expérimentales d'un système de communication peuvent être évaluées en utilisant un simulateur matériel du canal de propagation. Cette thèse a pour objectif la conception et la réalisation de la partie numérique d'un simulateur matériel pour les canaux de propagation MIMO, pour les réseaux UMTS et WLAN. La simulation matérielle du canal radio assure la vitesse de traitement nécessaire. D'autres avantages de la simulation matérielle sont l'évaluation des performances en temps réel et la comparaison de divers systèmes de radiocommunication dans un canal de propagation variant dans le temps, dans les mêmes conditions de test. L'étude de faisabilité a permis d'établir deux approches, l'une pour les environnements indoor, l'autre pour les environnements outdoor. Les architectures numériques proposées ont été étudiées et implémentées dans un composant programmable FPGA. L'évaluation des performances et de la complexité montre l'intérêt de ces architectures. Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet PRIR SIMPAA 2, avec le soutien de la Région Bretagne
The need to improve the capacity of wireless networks, for the data transmission and multimedia applications of the digital communication systems, has to focus on MIMO communication techniques to increase the data rate and the quality of services. MIMO systems use antenna arrays at both the transmit and the receive sides of a radio link and exploit the spatial dimension for the transmission. The performance of a communication system can be evaluated using a hardware simulator of radio propagation channels. This Ph. D. Deals with the design and the implementation of the digital block of a hardware simulator of MIMO propagation channels, for both UMTS and WLAN networks. The hardware simulation of radio channel provides the necessary processing speed. Other advantages of the hardware simulation are the real time performance evaluation and the comparison of different systems in a time varying radio propagation channel under the same test conditions. Two approaches have been considered, one for indoor environments, the other for outdoor environments. The proposed digital architectures were studied and implemented within FPGA. Performance and complexity evaluation shows the interest of these architectures. This work was carried out under the project SIMPAA 2, with the support of the "Région Bretagne"

Le thème général du sujet tourne autour de l'optimisation inter-couche des réseaux de capteurs basés sur la technologie ultra large bande ULB (UWB, Ultra Wide Band) moyennant des solutions protocolaires permettant d'un côté de répondre au besoin de qualité de service QdS à critères multiples dans les réseaux de capteurs sans fil et d'autre côté d'assurer le partage et l'allocation efficace les ressources disponibles (spectrale et temporelle) ainsi que l'optimisation de la consommation d'énergie dans des tels réseaux. Le domaine d'application cible choisi dans le présent travail est les systèmes de suivi des patients au sein d'un réseau de capteurs déployé en hôpital intelligent (WHSN, Large-scale Wireless Hospital Sensor Network). Dans ce contexte, nous avons proposé le modèle UWBCAS pour assurer le partage des ressources spectrales entre les PANs. Puis, nous avons conçu et implémenté un protocole MAC multi-canal multi-créneau de temps avec support de qualité de service, PMCMTP, pour assurer une allocation conjointe des canaux de fréquence et des créneaux de temps au sein de chaque réseau PAN. Enfin nous avons proposé l'algorithme JSAR qui traite à la fois les problèmes d'ordonnancement des cycles d'activités des membres du réseau dans le but d'optimiser la consommation d'énergie, d'allocation efficace des canaux de fréquence et des créneaux de temps afin d'améliorer le taux d'utilisation des ressources et les performances du réseau et de routage avec support de QdS à critères multiples afin de répondre aux besoins des applications supportées
The general context of the present memory is about the cross-layer optimization of wireless sensors networks based on ultra wide band technology UWB. The proposed solutions ensure the share and the efficient allocation of spectral and temporal resources, the optimization of the energy consumption and the support of multi-constraints quality of services QoS. The most challenging issue is providing a tradeoff between the resource efficiency and the multiconstrained QoS support. For this purpose, we proposed a new Wireless Hospital Sensor Network (WHSN) three-tiered architecture in order to support large-scale deployment and to improve the network performance. Then we designed a channel allocation scheme (UWBCAS,)and a prioritized multi-channel multi-time slot MAC protocol (PMCMTP) to enhance network performance and maximize the resource utilization. Finally, we proposed a joint duty cycle scheduling, resource allocation and multi-constrained QoS routing algorithm (JSAR) which simultaneously combines, a duty cycle scheduling scheme for energy saving, a resource allocation scheme for efficient use of frequency channels and time slots, and an heuristic for multi-constrained routing protocol

Multiples travaux de recherche on été munis ces dernières années pour construire des codes espace-temps optimaux pour les communications sans fil de point a point (monoutilisateur). Plusieurs familles de codes, dont la construction utilise des outils algébriques avances et qui atteignent le dmt ont été proposées dans la littérature. Ce compromis a été développe par zheng et tse pour capturer les avantages duels d'un canal a évanouissement pour les snr élèves: l'augmentation du débit (augmentation du gain de multiplexage) et l'augmentation de la fiabilité (augmentation du gain de diversité). Motivés par les résultats promettant obtenus dans le cas des canaux mono-utilisateur, notre but dans cette thèse est de proposer des nouvelles constructions de codes espace temps pour les canaux à accès multiple (i.e., multi-utilisateur) en se basant sur une profonde compréhension de ce dernier du point de vue de la théorie de l'information. Nous considérons dans une première partie le cas mono antenne pour lequel nous proposons une nouvelle construction de code qui offre un gain significative et dont les performances sont conservées dans le cas synchrone et asynchrone. Motive par le gain de performance important obtenu dans le cas momo antenne et arme par la compréhension des aspects théoriques du canal a accès multiple, nous avons propose un nouveau code dont les performances sont meilleures comparées aux codes existants. Ce code est ensuite utilise pour construire un nouveau code distribue pour le canal à accès multiple avec relais.

Muliples travaux de recherche on été munis ces dernières années pour construire des codes espace-temps optimaux pour les communications sans fil de point à point (monoutilisateur). Plusieurs familles de codes, dont la construction utilise des outils algébriques avancés et qui atteignent le DMT ont été proposées dans la litérature. Ce compromis a été developpé par Zheng et Tse pour capturer les avantages duels d'un canal à évanouissement pour les SNR élevés : l’augmentation du débit (augmentation du gain de multiplexage) et l’augmentation de la fiabilité (augmentation du gain de diversité). Motivés par les résultats promettant obtenus dans le cas des canaux mono-utilisateur, notre but dans cette thèse est de proposer des nouvelles constructions de codes espace temps pour les canaux à accès multiple (i. E. , multi-utilisateur) en se basant sur une profonde compréhension de ce dernier du point de vue de la théorie de l’information. Nous considerons dans une première partie le cas mono antenne pour lequel nous proposons une nouvelle construction de code qui offre un gain significatif et dont les performances sont conservées dans le cas synchrone et asynchrone. Motivé par le gain de performance important obtenu dans le cas mono- antenne et armé par la compréhension des aspects théoriques du canal à accès multiple, nous avons proposé un nouveau code dont les performances sont meilleures comparées aux codes existants. Ce code est ensuite utilisé pour construire un nouveau code distribué pour le canal à accès multiple avec relais
Extensive research has been carried out these last few years on the single-user MIMO STBC design using advanced algebraic tools, namely cyclic division algebra. Families of single-user codes have been carefully constructed to achieve the DMT of the MIMO channel. Motivated by the promising results obtained in the single-user scenario, the aim of this thesis is to construct new families of multi-user STBCs. Multi-user MIMO (MU-MIMO) channels have recently attracted considerable attention because of its essential practical implication in today’s and future communication systems. The current study focuses on MIMO MAC where multiple users communicate with one receiver. A coherent communication system is considered, where the receiver has a perfect CSI while the transmitters do not have any CSI, but are aware of the channel statistics. The construction of the proposed multiple-access codes is based on an in-depth understanding of the information theoretic aspects of the MAC that give insight on the behavior of the channel. In order to simplify the problem, a MAC with single-antenna at the transmitters and an arbitrary number of antennas at the receiver is first considered in a synchronous and an asynchronous scenario. Next, the general MIMO-MAC with multiple-antenna at both the transmitters and the receiver is investigated. Finally, the multiple-access relay channel is considered, where one or more relays help the users communicate with the destination while the cooperation between the users is not allowed. In this case, we applied the code constructed for the MIMO MAC in a distributed way

Dans ces travaux de thèse, nous proposons un système de communication original permettant d’atteindre un haut débit et de répondre aux exigences de la qualité de service requise pour les communications courte portée dans le cadre du transport intelligent. Ce système se base sur la technologie Ultra Large Bande Impulsionnelle (IR-ULB) et sur un nouveau schéma de modulation nommé M-OAM (M-Orthogonal Amplitude Modulation). Les modulations M-OAM se basent sur le principe des modulations M-QAM en remplaçant les porteuses par des formes d’ondes ULB orthogonales de type MGF (Modified Gegenbauer Function). Ces modulations ont été évaluées sous les conditions d’un canal AWGN et des canaux IEEE 802.15.3a et IEEE 802.15.4a qui tiennent compte des paramètres réels de la route. En plus du haut débit exigé par les communications inter-véhiculaires, il faut assurer un échange d’informations simultané entre plusieurs utilisateurs de la route et garantir une bonne qualité de service. Dans cette optique, une nouvelle technique d’accès multiple adaptée est proposée. Chaque utilisateur a la possibilité d’utiliser la modulation OAM adéquate selon le débit désiré. Le récepteur de ce système se caractérise par un aspect intelligent grâce à l’intégration des principes de la Radio Cognitive (RC) qui permet de détecter l’arrivée du signal et d’identifier les paramètres de la modulation utilisée afin de s’y adapter d’une façon autonome. Une bonne qualité de service est assurée par la proposition d’une nouvelle technique de démodulation qui se base sur les Statistiques d’Ordres Supérieurs (SOS) permettant d’éliminer le bruit Gaussien. Les bonnes performances du système de communication M-OAM ainsi que l’ensemble des aspects proposés ont été validés expérimentalement au sein du laboratoire IEMN-DOAE. Dans la dernière partie de ce document nous avons présenté la réalisation d’un prototype de ce traitement en temps réel sur une plateforme FPGA, en exploitant des algorithmes parallélisables sur des architectures reconfigurables
In this work of thesis, we propose an original communication system allowing to reach high data rate and to fulfill the requirements of quality of service necessary for the communications short range dedicated to intelligent transport. This system is based on the Ultra Wide Band Impulse (IR-ULB) technology and on new modulation scheme named M-OAM (M-states Orthogonal Amplitude Modulation). M-OAM modulations are based on the principle of modulations M-QAM by replacingthe carriers used for QAM modulation with orthogonal waveforms ULB type MGF (Modified Gegenbauer Function). These modulations were evaluated under the conditions of AWGN channel and IEEE 802.15 channels which take account of the real parameters of the road. Besides the high speed required by inter-vehicular communications, it is necessary to ensure simultaneous information exchange between several users of the road. Accordingly, new adaptive multiple access system is proposed. Each user has the possibility to use the adequate modulation OAM according to the desired speed. The receiver of this system is characterized by an intelligent aspect thanks to the integration of the principle of Cognitive Radio (RC) which makes it able to detect the signal arrival and to identify the parameters of the used modulation in order to adapt the demodulation in an autonomous way. A good quality of service is ensured by the proposed novel demodulation method based on the Higher Orders Statistics (HOS) to eliminate the Gaussian noise. The good performances of M-OAM communication system M-OAM as well as the whole of the suggested aspects are validated in experiments within IEMN-DOAE laboratory. In the last part of this document we presented the realization of prototype using real time processing developed on FPGA plateform and exploiting parallelisable algorithms on reconfigurable architectures

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

Cette thèse a pour but d'évaluer la performance théorique des approches coopératives pour la fiabilisation des transmissions dans les réseaux autour du corps humain. Ces réseaux sont formés d'un nombre limité de capteurs communicants disposés sur et dans le corps. Les techniques de coopération dans les réseaux de cette taille sont extrêmement dépendantes de l'information disponible quand à la qualité des canaux de communication au moment de la transmission. Sous une hypothèse de connaissance de la valeur moyenne à moyen et long terme de l'affaiblissement de ces canaux, nous dérivons une approximation du taux d'erreur paquet de bout en bout pour des techniques de relayage. Nous présentons également, pour certains de ces modèles, une allocation de puissance asymptotiquement optimale, fournissant un gain sur une large plage des puissances d'émission. En supposant ensuite que les noeuds ont une connaissance parfaite de l'état du réseau, nous étudions la capacité de Shannon sur des canaux à relais, et des canaux comprenant deux émetteurs coopérant entre eux. Pour ces deux modèles, nous montrons que lorsque l'on cherche à optimiser la répartition de puissance totale disponible à l'émission, l'étude se réduit à celle d'un modèle de canal équivalent simplifiant grandement l'analyse de la capacité et fournissant des solutions analytiques aux problèmes d'allocation de ressources. Nous présentons enfin une plate-forme de mesures pour les réseaux autour du corps humain, permettant de relever de manière quasi-simultanée l'intégralité des affaiblissements des liens entre les nœuds du réseau. Cette plateforme nous permet de traiter de la stabilité de ces liens et de la validité de l'hypothèse de réciprocité. Nous évaluons également la corrélation spatiale de l'affaiblissement des liens et nous montrons en particulier que celle-ci varie fortement au cours du mouvement, mais de façon suffisamment lente pour être estimée au fil de l'eau.

Some industrial applications require deterministic and bounded gathering delays. We focus on the joint time slots and channel assignment that minimizes the time of data collection and provides conflict-free schedules. This assignment allows nodes to sleep in any slot where they are not involved in transmissions. Hence, these schedules save the energy budjet of sensors. We calculate the minimum number of time slots needed to complete raw data convergecast for a sink equipped with multiple radio interfaces and heterogeneous nodes traffic. We also give optimal schedules that achieve the optimal bounds. We then propose MODESA, a centralized joint slots and channels assignment algorithm. We prove the optimality of MODESA in specific topologies. Through simulations, we show that MODESA is better than TMCP, a centralized subtree based scheduling algorithm. We improve MODESA with different strategies for channels allocation. In addition, we show that the use of a multi-path routing reduces the time of data collection .Nevertheless, the joint time slot and channels assignment must be able to adapt to changing traffic demands of the nodes ( alarms, additional requests for temporary traffic ) . We propose AMSA , an adaptive joint time slots and channel assignment based on incremental technical solution. To address the issue of scalability, we propose, WAVE, a distributed scheduling algorithm for convergecat that operates in centralized or distributed mode. We show the equivalence of schedules provided by the two modes.

Dans ces travaux de thèse, nous proposons de nouvelles méthodes d’estimation de canal pour un système full-duplex dédié aux communications véhiculaires. Les deux canaux relatifs au signal utile (SOI) et au signal interférant (SI) sont estimés. Les méthodes que nous proposons sont classées selon si les pilotes des deux signaux sont envoyés séparément ou simultanément. Dans le cas de la transmission séparée des pilotes, nous proposons un algorithme se basant sur un positionnement dynamique des pilotes ainsi qu’une méthode hybride qui combine l’approche du changement de position des pilotes avec l’emploi des séquences d’apprentissage en début de trame. Nous proposons également une méthode visant à optimiser l’estimation classique qui se base sur un séquence d’apprentissage en amélioration l’estimation au niveau de chaque symbole préambule. Dans le contexte d’une transmission simultanée des pilotes, nous proposons deux algorithmes visant à améliorer les performances d’estimation par rapport aux méthodes existantes. Dans la première méthode proposée, les deux canaux SI et SOI sont estimés dans le domaine fréquentiel à l’aide des itérations de Landweber. La seconde proposition consiste à utiliser une matrice de projectionafin d’éviter le bruit engendré par les données inconnues du signal SOI lors de l’estimation. Finalement, nous proposons une méthode d’estimation de canal sélectif en temps et en fréquence pour des fréquences doppler faibles à modérées. Certaines méthodes proposées sont implémentées dans un système full-duplex expérimental qui a recours aux antennes reconfigurables pour réaliser l’annulation passive
In this work of thesis, we propose new channel estimation approaches for a full-duplex system dédicated to vehicular communications. Both the self-interference (SI) and intended (SOI) channel are estimated. We propose different estimation méthods according to whether the pilots of the signals are transmitted jointly or separately. In the separate transmission, an estimation based on a new pilot configuration is proposed as well as a hybrid method which use both pilot configuration and training sequences.We also propose an optimisation of the conventional training-based method.It consists of improving the estimation of each training symbole. In the joint transmission, we propose two algorithms that aims to improve the estimation performances compared to the existing methods. In the first proposed method, the two channels are first estimated in the frequency domain using the Landweber iterations. The second proposition consists of using a projection matrix to manipulate only the pilots and avoid the noise that is caused by the SOI unknown datas. Finally, we propose a time and frequency-selective channel estimation for low and medium doppler frequency. Some of the proposed estimators are implemented on a real Full Duplex communication system which use Multi-reconfigurable antennas to perform the passive cancellation

De par la nature ouverte des communications sans-fils, les transmissions sont fortement impactées par divers facteurs limitants: l’interférence (due aux multiples utilisateurs), l’incertitude canal (due à la mobilité des utilisateurs) et la présence d'espions. En théorie de l’information, les « canaux de diffusion » sont un modèle clé des communications cellulaires sans-fils et consistent en une source qui souhaite envoyer deux messages chacun destiné à un utilisateur distinct, les canaux étant modélisés par des lois conditionnelles de probabilité. La gestion d’interférence constitue un point clé des transmissions à travers les canaux à diffusion, car l’augmentation du débit d’un utilisateur résulte inéluctablement en une augmentation de l’interférence à l’autre utilisateur, et elle consiste à fournir les débits maximaux que chacun des utilisateurs peut atteindre avec probabilité d’erreur nulle au décodage. Lorsque l’on couple l’interférence à de l’incertitude canal (lois de probabilités des canaux inconnues à la source), à des transmissions simultanées (plusieurs utilisateurs intéressés par les mêmes messages) ou encore à la présence d’espions (externe aux deux utilisateurs), les techniques existantes de gestion de l’interférence s’avèrent sous-optimales. L’objet de cette thèse a été donc été de développer des techniques de gestion de l’interférence pour les canaux de diffusion avec incertitude canal en se basant sur de nouvelles stratégies de codage, pour les canaux cognitifs à transmission multiples sous plusieurs régimes d’interférences, et enfin pour les canaux de diffusion avec espion où la vraie difficulté résidant dans les preuves d'optimalité
Due to the open nature of wireless communications, the transmissions on such mediums are subject to many limitations: interference (due to the increasing traffic on the network), channel uncertainty ( due to users’ mobility) and security. The most accurate information theoretic model for cellular wireless communications is the Broadcast Channel that consists of a source transmitting two distinct messages to two receivers through a channel that we model by a conditional probability distribution. Interference Management is the bottleneck of coding for such channels, as increasing the rate of a message results in an increased amount of interference at the opposite receiver. It thus consists in finding the optimal tradeoff between the two messages rates while ensuring zero decoding error probability at both receivers. When interference is coupled with channel uncertainty (channel probability distribution unknown to the source) or with simultaneous transmissions (many users interested in the same message) or even to eavesdropping, the known techniques for interference management appear to be sub-optimal. The purpose then of this thesis was to develop interference mitigation techniques for Broadcast Channels with uncertainty resorting to more involved coding strategies, for the Broadcast Channels with a helper with multiple users under many regimes of interference, and last but not least, for the Wiretap Broadcast CHannel through new outer bounding techniques

Cette thèse a pour objectif de proposer des améliorations pour le standard de l’Internet des Objets (IoT) LoRa selon deux axes : 1) la modification du récepteur classique pour améliorer les performances de démodulation en présence d’un canal multi-trajets et 2) proposer une sécurisation de la couche physique pour renforcer la confidentialité des transmissions. Pour le premier axe, une étude de l’impact des canaux multi-trajets est proposée et débouche sur le calcul de l’expression analytique du taux d’erreur symbole LoRa. Fort de cette étude, le récepteur améliore LoRa RAKE exploitant de façon constructive l’énergie des trajets est conçu et évalué pour le scénario réaliste d’un canal multi-trajets à répliques proches du trajet direct avec prise en compte de la synchronisation. Pour le second axe, une étude de l’impact des brouilleurs classiques Band et Tone Jamming est réalisée et montre les performances sous-optimales de ces brouilleurs. Ainsi, un schéma d’auto-brouillage de la forme d’onde LoRa est proposé, réduisant fortement les capacités de démodulation des intercepteurs, renforçant ainsi le niveau de confidentialité de la transmission. Le Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) généré par ce schéma est étudié et une méthode de réduction de ce dernier est proposée. Enfin, des expérimentations sur des matériels de type Software Defined Radio (SDR) sont menées et démontrent la viabilité du schéma d’auto-brouillage
This thesis aims to propose enhancements for the LoRa Internet of Things (IoT) standard in order to 1) improve thedemodulation performances in the presence of multi-path channels and 2) develop security mechanisms at the physical layer to strengthen the secrecy of communications.For the first line of contribution, a study of the impact of multi-path channels is conducted and a closed-form expression of the symbol error rate is derived. Capitalizing on this study, the enhanced LoRa RAKE receiver leveraging constructively the paths energy is proposed, for the realistic scenario of channel replicashaving delays close to the main path while taking into account synchronization. For the second line of contribution, the impact of traditional Band and Tone jammers on the LoRa demodulation is investigated and highlights the sub-optimal performances of such jammers. Then, a waveform self-jamming scheme is proposed, considerably reducing demodulation capabilities of interceptors thus further enhancing the secrecy of communications. The induced Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) by the scheme is analyzed and a mitigation technique is proposed. Finally, experiments on Software Defined Radio (SDR) equipment are achieved and demonstrate the sustainability of this self-jamming scheme

Les tests de dispositifs de communication sans fil peuvent être réalisés en utilisant des simulations numériques ou des sondeurs de canaux. Bien que ne reflétant pas un environnement électromagnétique réaliste, une chambre réverbérante peut néanmoins émuler un canal de propagation comparable à un cas réel si l'on modifie convenablement ses propriétés. Les propriétés des signaux générés dans une chambre réverbérante sont fonction de différents paramètres. Au cours des trois années de thèse, nous avons analysé et mis en oeuvre plusieurs techniques pour mesurer et contrôler ces paramètres à l'intérieur d'une chambre réverbérante. D'abord, différents estimateurs du facteur K sont testés et leurs propriétés sont évaluées. Nous présentons les limites de fonctionnement utiles dans lesquelles différents estimateurspeuvent être utilisés. Ensuite, nous proposons deux nouveaux estimateurs qui utilisent comme données d'entrée seulement l'enveloppe du signal. Ils apportent en outre des améliorations sur la gamme des valeurs détectables du facteur K. Une des possibilités pour contrôler un canal de propagation à l'intérieur d'une chambre réverbérante est d'utiliser des matériaux absorbants. Nous présentons une méthode pour estimer la surface équivalente moyenne d'absorption en utilisant une seule antenne. Cette méthode exploite la mesure de la bande de cohérence du canal de propagation. Ensuite, nous étendons notre analyse à la prédiction de la surface équivalente moyenne d'absorption lorsqueles dimensions géométriques et les propriétés électromagnétiques des absorbants sont connues. On crée ensuite un modèle de canal de propagation en exploitant les régimes transitoire et permanent du signal. Avec ce modèle, selon les informations disponibles, on peut extraire le facteur K, la surface équivalente moyenne d'absorption et différents paramètres temporels (i.e., profil de l'étalement des retards). Nous poursuivons avec deux applications possibles des chambres réverbérantes. Tout d'abord, on évalue le gain d'une antenne à partir de mesures du coefficient de réflexion decette antenne. Nous étendons notre analyse à l'évaluation du diagramme de rayonnement de l'antenne et de son erreur d'estimation. Nous estimons aussi la désadaptation de l'antenne et son ouverture à 3 dB. La deuxième application porte sur l'évaluation du gain de diversité dans la chambre réverbérante. Nous isolons les influences des efficacités des antennes, des puissances des composantes brassées, et des facteurs K sur l'évaluation du gain de diversité.On obtient une relation simple de la corrélation de puissance en fonction de la corrélation complexe lorsque les facteurs K sur différents branches ne sont pas identiques. Nous montrons que lors d'un fort déséquilibre de facteur K il est impossible de conclure sur le gain de diversité à partir de la seule évaluation de la corrélation d'enveloppe ou de puissance. À l'aide de simulations statistiques on compare le gain de diversité mesuré avec les valeurs simulées.

Le trafic de données a connu une croissance incessante, en particulier dans les réseaux urbains sans fil. Les opérateurs doivent donc fournir des services de haute qualité tout en ayant des coûts bas. Deux solutions intéressantes peuvent être envisagées : le déploiement de réseaux maillés sans fil ou le déploiement de petites cellules. De nouveaux schémas d'attribution de ressources et de gestion des interférences sont proposés dans cette thèse. Pour les réseaux Mesh, nous proposons un nouvel algorithme basé sur la théorie du jeu, appelé IGCA, permettant de gérer les canaux afin de réduire l'interférence entre les routeurs maillés en utilisant un jeu potentiel. Dans une deuxième partie, nous nous concentrons sur les problèmes d’allocation des ressources et de contrôle de la puissance dans les réseaux denses de petites cellules. Nos objectifs sont de réduire les interférences dans les communications en liaison descendante et de profiter efficacement du spectre lorsque le réseau est saturé. L'idée principale est de trouver un compromis entre la réduction de la puissance des cellules et la maximisation de l'affectation des ressources par rapport à un seuil de SINR. Ainsi, nous proposons d’abord un algorithme d’allocation de ressources et de puissance appelé TCRPA, qui prend en compte les demandes des utilisateurs de petites cellules. Nous formulons le problème d'optimisation dans MILP et le résolvons en utilisant une approche par cluster. Deuxièmement, nous considérerons les utilisateurs de la macro et ceux des petites cellules. Nous proposons TORPA, un système semi-centralisé visant à résoudre le problème étendu. Nos résultats de simulation répondent à nos attentes
Data traffic has been witnessing an incessant growth especially in urban wireless networks. Thus, operators need to provide high quality services with good coverage and low costs. Two interesting solutions can be considered to overcome this issue: the deployment of Multi-Radio Multi-Channel Wireless Mesh Networks or Smallcell deployment. New resource allocation and interference management schemes adapted for networks are proposed in this thesis. For MR-MC WMNs, we propose a new interference-aware game-theoretic algorithm called IGCA to manage the limited number of channels in order to alleviate the "a priori" interference between mesh routers by using a potential game. In the second part of this research work, we focus on resource allocation and power control problems in dense smallcell networks. Our ultimate goals are to alleviate the interference in downlink communications and make an efficient spectrum reuse when the urban mobile network is quite congested. The key idea is to find a trade-off between minimizing the transmit power of cells and maximizing the resource allocation with respect to an SINR threshold. To do so, we first propose a resource and power allocation algorithm called TCRPA that considers only smallcell users' demands. We formulate the optimization problem as a MILP and solve it using a cluster-based approach. Second, we extend this work to consider macro-users demands aside with the small-users ones in the defined optimization problem. We propose, TORPA, a new semi-centralized scheme, to solve the expanded MILP. Our simulation results show that our proposals succeed to meet our expectations

Certaines applications industrielles nécessitent des délais de collecte déterministes et bornés, nous nous concentrons sur l'allocation conjointe de slots temporels et de canaux sans conflit qui minimisent la durée de collecte. Cette allocation permet aux noeuds de dormir dans n'importe quel slot où ils ne sont pas impliqués dans des transmissions. Nous calculons le nombre minimal de slots temporels nécessaire pour compléter la collecte de données brute pour un puits équipé de plusieurs interfaces radio et des demandes de trafic hétérogènes. Nous donnons également des ordonnancements optimaux qui permettent d'atteindre ces bornes optimales. Nous proposons ensuite MODESA, un algorithme centralisé d'allocation conjointe de slots et de canaux. Nous montrons l'optimalité de MODESA dans des topologies particulières. Par les simulations, nous montrons que MODESA surpasse TMCP , un ordonnancement centralisé à base de sous-arbre. Nous améliorons MODESA avec différentes stratégies d'allocation de canaux. En outre , nous montrons que le recours à un routage multi-chemins réduit le délai de collecte.Néanmoins, l'allocation conjointe de slot et de canaux doit être capable de s'adapter aux changements des demandes des noeuds (des alarmes, des demandes de trafic supplémentaires temporaires). Nous proposons AMSA , une solution d'assignation conjointe de slots et de canaux basée sur une technique incrémentale. Pour aborder la question du passage à l'échelle, nous proposons, WAVE , une solution d'allocation conjointe de slots et de canaux qui fonctionne en mode centralisé ou distribué. Nous montrons l'équivalence des ordonnancements fournis par les deux modes
Some industrial applications require deterministic and bounded gathering delays. We focus on the joint time slots and channel assignment that minimizes the time of data collection and provides conflict-free schedules. This assignment allows nodes to sleep in any slot where they are not involved in transmissions. Hence, these schedules save the energy budjet of sensors. We calculate the minimum number of time slots needed to complete raw data convergecast for a sink equipped with multiple radio interfaces and heterogeneous nodes traffic. We also give optimal schedules that achieve the optimal bounds. We then propose MODESA, a centralized joint slots and channels assignment algorithm. We prove the optimality of MODESA in specific topologies. Through simulations, we show that MODESA is better than TMCP, a centralized subtree based scheduling algorithm. We improve MODESA with different strategies for channels allocation. In addition, we show that the use of a multi-path routing reduces the time of data collection .Nevertheless, the joint time slot and channels assignment must be able to adapt to changing traffic demands of the nodes (alarms, additional requests for temporary traffic) . We propose AMSA , an adaptive joint time slots and channel assignment based on incremental technical solution. To address the issue of scalability, we propose, WAVE, a distributed scheduling algorithm for convergecat that operates in centralized or distributed mode. We show the equivalence of schedules provided by the two modes

Le codage réseau est apparu comme une technique alternative au routage au niveau de la couche réseau permettant d'améliorer le débit et d'optimiser l'utilisation de la capacité du réseau. Récemment, le codage réseau a été appliqué au niveau de la couche physique des réseaux sans-fil pour profiter de la superposition naturelle des signaux effectuée par le lien radio. Le codage réseau peut être vue comme un traitement interne du réseau pour lequel différentes techniques de relayage peuvent être utilisées. Cette thèse étudie un ensemble de traitements ayant des compromis variés en terme de performance et complexité. Nous considérons le canal bidirectionnel à relais, un modèle de canal de communication typique dans les réseaux coopératifs, où deux terminaux s'échangent mutuellement des messages par l'intermédiaire d'un relais. La communication se déroule en deux phases, une phase à accès multiple et une phase de broadcast. Pour ce scénario, nous analysons, dans une première partie, une stratégie de "decode-and-forward". Nous considérons, pour cette étude, des alphabets de taille finie et nous calculons les probabilités moyennes d'erreur de bout-en-bout en se basant sur la métrique d'exposant d'erreur du codage aléatoire. Puis, nous dérivons les régions des débits atteignables par rapport à une probabilité d'erreur maximale tolérable au niveau de chaque nœud. Dans une deuxième partie de la thèse, nous proposons deux schémas de codage réseau pratiques, avec complexité réduite, qui se basent sur la stratégie de relayage "compress-and-forward" (CF). Le premier schéma utilise un codage en réseau de points imbriqués (nested lattices). Le deuxième schéma est une version améliorée qui permet d'atteindre des débits de données supérieurs pour l'utilisateur qui a les meilleures conditions canal. Nous construisons les régions des débits atteignables par les deux schémas proposés tout en optimisant la répartition du temps alloué à chacune des deux phases de transmission. Après l'étude du régime asymptotique, nous analysons le schéma de codage CF avec des réseaux de points de dimension finie. Nous nous concentrons sur le problème de la transmission analogique où la distorsion est optimisée. Enfin, nous étudions l'application d'un schéma de codage, basé sur la stratégie CF avec des réseaux de points imbriqués, pour le canal bidirectionnel à canaux parallèles. Ainsi, nous présentons deux régions de débits atteignables selon la technique de traitement, conjoint ou séparé, des sous-canaux par le relais.

L'utilisation intensive des services de données mobiles a de plus en plus augmenté la consommation de ressources sur les réseaux sans fil. La ressource principale utilisée pour la communication sans fil est le spectre de fréquence. À mesure que le trafic de données augmente brusquement, de nouvelles bandes du spectre de fréquences ne sont pas disponibles dans la même proportion, ce qui rend le spectre de fréquence de plus en plus rare et saturé. Plusieurs propositions ont été présentées pour optimiser l'allocation des canaux de fréquences afin d'atténuer les interférences entre les liaisons proches qui transmettent des données. Beaucoup d'entre eux utilisent un critère unique et ne considèrent pas le comportement de l'utilisateur pour guider le processus d'allocation de canaux. Les utilisateurs ont des cycles de routine et un comportement social. Ils passent au travail, à l'école, utilisent leurs appareils mobiles générant du trafic de données, et rencontrent des amis formant des groupes. Ces caractéristiques peuvent être explorées pour optimiser le processus d'allocation des canaux.Cette thèse présente une stratégie d'allocation de canaux pour les réseaux sans fil basée sur le comportement de l'utilisateur. Notre contribution principale consiste à considérer certaines caractéristiques du comportement de l'utilisateur, telles que la mobilité, le trafic et la popularité dans le processus d'allocation des canaux. De cette façon, nous priorisons l'allocation de canaux pour les nœuds qui resteront dans le réseau dans une fenêtre de temps future, avec un trafic plus élevé dans le réseau, et avec plus de popularité. Nous adoptons une approche distribuée qui permet de limiter le nombre de messages échangés dans le réseau tout en répondant rapidement aux changements de la topologie du réseau. Dans notre évaluation des performances, nous considérons des scénarios dans des réseaux ad hoc et véhiculaires, et nous utilisons des modèles de mobilité synthétique, tels que SLAW et Manhattan grid, et l'ensemble de données de traces de ville de Cologne. Dans les scénarios, nous comparons notre mécanisme avec différents types de techniques : une centralisée (nommée TABU), une autre aléatoire (nommée RANDOM), une avec la plus grande distance spectrale (appelée LD) et une avec un seul canal (appelée SC). Nous évaluons les métriques telles que le débit agrégé, le débit de livraison des paquets et le délai de bout en bout.Les simulations envisageant un scénario ad hoc avec un routage monodiffusion montrent que notre stratégie présente des améliorations en termes de débit de l'ordre de 14,81% par rapport à RANDOM et de 16,28% par rapport à l'allocation de canal LD. Dans le scénario véhiculaire, notre stratégie montre des gains de taux de livraison de paquets de l'ordre de 11,65% et de 17,18% par rapport aux méthodes RANDOM et SC, respectivement. Dans ces deux scénarios, la performance de notre stratégie est proche de la limite supérieure donnée par l'approche centralisée de TABU, mais avec l’envoie de moins des messages
The intensive use of mobile data services has increasingly increased resource consumption over wireless networks. The main resource used for wireless communication is the frequency spectrum. As data traffic rises sharply, new bands of the frequency spectrum are not available in the same proportion, making the frequency spectrum increasingly scarce and saturated. Several proposals have been presented to optimize frequency channel allocation in order to mitigate interference between nearby links that are transmitting data. Many of them use a single criterion and does not consider the user behavior to guide the channel allocation process. Users have routine cycles and social behavior. They routinary move to work, to school, use their mobile devices generating data traffic, and they meet with friends forming clusters. These characteristics can be explored to optimize the channel allocation process.This thesis presents a channel allocation strategy for wireless networks based on user behavior. Our main contribution is to consider some characteristics of the user behavior, such as mobility, traffic, and popularity in the channel allocation process. In this way, we prioritize the channel allocation for the nodes that will remain in the network in a future time window, with higher traffic in the network, and with more popularity. We adopt a distributed approach that allows limiting the number of messages exchanged in the network while quickly responding to changes in the network topology. In our performance evaluation, we consider scenarios in ad hoc and vehicular networks, and we use some synthetic mobility models, such as SLAW and Manhattan grid, and the traces dataset of Cologne city. In the scenarios, we compare our mechanism with different types of approaches: i.e., a centralized (named TABU), a random (named RANDOM), a with largest spectral distance (named LD), and a with single channel (named SC). We evaluate metrics such as aggregated throughput, packet delivery rate, and end-to-end delay. Simulations considering ad hoc scenario with unicast routing show that our strategy presents improvements in terms of throughput at the order of 14.81% than RANDOM and 16.28% than LD channel allocation. In vehicular scenario, our strategy shows gains of packet delivery rate at the order of 11.65% and 17.18% when compared to RANDOM and SC methods, respectively. In both scenarios, the performance of our strategy is close to the upper bound search of the TABU centralized approach, but with lower overhead

La recherche de nouvelles formes d'onde robustes, lorsque utilisées sur des canaux doublement sélectifs, est primordiale. De telles formes d'onde permettraient donc d'assurer des communications fiables pour les réseaux sans fil de nouvelle génération dans les scénarios de haute mobilité. Dans cette thèse, une nouvelle solution, le affine frequency division multiplexing (AFDM), est proposée. Cette nouvelle forme d'onde de type multichirps est basée sur la transformée de Fourier affine discrète (DAFT), une variante de la transformée de Fourier discrète caractérisée par deux paramètres pouvant être adaptés pour mieux faire face aux canaux doublement dispersifs. Cette thèse offre une enquête complète sur les principes de l'AFDM au sein des communications à haute mobilité. Elle fournit un aperçu de la relation explicite entrée-sortie dans le domaine DAFT, révélant l'impact conséquent des paramètres de l'AFDM. Le manuscrit détaille le réglage précis des paramètres DAFT qui permette d'assurer une représentation complète délai-Doppler du canal de propagation sans fil. À travers des démonstrations analytiques, il est affirmé que l'AFDM atteint de manière optimale l'ordre de diversité des canaux doublement dispersifs en raison de la représentation complète délai-Doppler du canal qu'il permet d'obtenir. La thèse propose également deux algorithmes de détection à faible complexité pour l'AFDM, tirant parti de la parcimonie inhérente du canal. Le premier est un détecteur de type minimum mean squared error (MMSE) à faible complexité basé sur la factorisation LDL. Le deuxième est un égaliseur de type decision feedback equalizer (DFE) à faible complexité basé sur la combinaison cohérente, grace à la méthode maximum ratio combining (MRC), de différentes copies des symboles d'entrée du canal ayant été altérés par différents trajets de ce dernier. De plus, la thèse présente une technique de type embedded d'estimation de canal pour les systèmes AFDM, exploitant la capacité de l'AFDM à obtenir une représentation complète délai-Doppler du canal. Dans cette approche, un seul symbole pilote est inséré dans le domain DAFT du symbole AFDM, et les interférences que ce pilote pourrait générer pour les symboles de donnée sont évitées par des intervalles de garde. Un algorithme pratique d'estimation de canal, compatible avec ce schéma de transmission de pilote et basé sur une approche de type approximate maximum likelihood (ML), est aussi proposé. La thèse est conclue en se penchant sur de possibles applications de l'AFDM au delà de celles conçues pour les environnements marqués par une haute mobilité, spécifiquement les applications de type integrated sensing and communication (ISAC) et les communications dans les bandes de hautes fréquences. Il est démontré que pour identifier tous les composants de délai et de Doppler liés au milieu de propagation, on peut utiliser soit le signal AFDM complet, soit seulement sa partie pilote constituée d'un symbole de domaine DAFT et de son intervalle de garde. De plus, la nature chirp de l'AFDM permet une annulation simple de l'auto-interférence, éliminant ainsi le besoin de méthodes coûteuses normalement nécessaires dans les systèmes full duplex. La thèse met également en évidence les bonnes performances de l'AFDM pour les communications sans fil dans les bandes de hautes fréquences sans ou avec mobilité, grâce à la répartition maximale du signal AFDM en temps et en fréquences, assurant un gain de couverture. Contrairement à d'autres formes d'onde, l'AFDM ne fournit pas seulement une répartition maximale temps-fréquences mais assure également une détection robuste et efficace et une résilience au décalage de fréquence de porteuse et au bruit de phase
In the realm of next-generation wireless systems (beyond 5G/6G), the vision is clear: to support a broad range of services and applications. This includes ensuring reliable communications in environments marked by high mobility, such as high-speed railway systems and various vehicular communications. Despite the deployment of various multicarrier techniques like orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) and single-carrier frequency division multiple access (SC-FDMA) in standardized communication systems, the challenge persists. These techniques, while effective in time-invariant frequency selective channels, face performance degradation in high mobility scenarios due to the destruction of orthogonality among subcarriers caused by significant Doppler frequency shifts. Addressing this, the search for new, robust modulation techniques is paramount. It stands as a key area of investigation aiming to resolve the reliable communications issue for next-generation wireless networks within doubly-selective wireless channels. In this thesis, a novel solution, affine frequency division multiplexing (AFDM), is proposed. This new chirp-based multicarrier waveform is based on the discrete affine Fourier transform (DAFT), a variant of the discrete Fourier transform characterized with two parameters that can be adapted to better cope with doubly dispersive channels. This thesis provides a comprehensive investigation into the principles of AFDM within high mobility communications. It provides insight into the explicit input-output relation in the DAFT domain, unveiling the consequential impact of AFDM parameters. The manuscript details the precise setting of DAFT parameters, ensuring a full delay-Doppler representation of the channel. Through analytical demonstrations, it asserts that AFDM optimally achieves the diversity order in doubly dispersive channels due to its full delay-Doppler representation. The thesis also proposes two low-complexity detection algorithms for AFDM, taking advantage of its inherent channel sparsity. The first is a low complexity MMSE detector based on LDL factorization. The second is a low complexity iterative decision feedback equalizer (DFE) based on weighted maximal ratio combining (MRC) of the channel impaired input symbols received from different paths. Additionally, the thesis presents an embedded channel estimation strategy for AFDM systems, leveraging AFDM's ability to achieve full delay-Doppler representation of the channel. In this approach, an AFDM frame contains a pilot symbol and data symbols, with zero-padded symbols employed as guard intervals to prevent interference. A practical channel estimation algorithm based on an approximate maximum likelihood (ML) approach and compatible with this pilot scheme is also provided. The thesis concludes by delving into the expanded applications of AFDM, specifically in integrated sensing and communication (ISAC) and extremely high frequency (EHF) band communications. It is demonstrated that to identify all delay and Doppler components linked with the propagation medium, one can use either the full AFDM signal or only its pilot part consisting of one DAFT domain symbol and its guard interval. Furthermore, the chirp nature of AFDM allows for unique and simple self-interference cancellation with a single pilot, eliminating the need for costly full-duplex methods. The thesis also highlights AFDM's efficient performance in high-frequency bands (with or without mobility), where the maximal spreading of its signal in time and frequency ensures a coverage gain. Unlike other waveforms, AFDM not only provides maximal time-frequency spreading but also ensures robust and efficient detection, characterized by one-tap equalization and resilience to carrier frequency offset (CFO) and phase noise

Généralement, les problèmes de conception de réseaux consistent à sélectionner les arcs et les sommets d’un graphe G de sorte que la fonction coût est optimisée et l’ensemble de contraintes impliquant les liens et les sommets dans G sont respectées. Une modification dans le critère d’optimisation et/ou dans l’ensemble de contraintes mène à une nouvelle représentation d’un problème différent. Dans cette thèse, nous nous intéressons au problème de conception d’infrastructure de réseaux maillés sans fil (WMN- Wireless Mesh Network en Anglais) où nous montrons que la conception de tels réseaux se transforme d’un problème d’optimisation standard (la fonction coût est optimisée) à un problème d’optimisation à plusieurs objectifs, pour tenir en compte de nombreux aspects, souvent contradictoires, mais néanmoins incontournables dans la réalité. Cette thèse, composée de trois volets, propose de nouveaux modèles et algorithmes pour la conception de WMNs où rien n’est connu à l’ avance. Le premiervolet est consacré à l’optimisation simultanée de deux objectifs équitablement importants : le coût et la performance du réseau en termes de débit. Trois modèles bi-objectifs qui se différent principalement par l’approche utilisée pour maximiser la performance du réseau sont proposés, résolus et comparés. Le deuxième volet traite le problème de placement de passerelles vu son impact sur la performance et l’extensibilité du réseau. La notion de contraintes de sauts (hop constraints) est introduite dans la conception du réseau pour limiter le délai de transmission. Un nouvel algorithme basé sur une approche de groupage est proposé afin de trouver les positions stratégiques des passerelles qui favorisent l’extensibilité du réseau et augmentent sa performance sans augmenter considérablement le coût total de son installation. Le dernier volet adresse le problème de fiabilité du réseau dans la présence de pannes simples. Prévoir l’installation des composants redondants lors de la phase de conception peut garantir des communications fiables, mais au détriment du coût et de la performance du réseau. Un nouvel algorithme, basé sur l’approche théorique de décomposition en oreilles afin d’installer le minimum nombre de routeurs additionnels pour tolérer les pannes simples, est développé. Afin de résoudre les modèles proposés pour des réseaux de taille réelle, un algorithme évolutionnaire (méta-heuristique), inspiré de la nature, est développé. Finalement, les méthodes et modèles proposés on été évalués par des simulations empiriques et d’événements discrets.
Generally, network design problems consist of selecting links and vertices of a graph G so that a cost function is optimized and all constraints involving links and the vertices in G are met. A change in the criterion of optimization and/or the set of constraints leads to a new representation of a different problem. In this thesis, we consider the problem of designing infrastructure Wireless Mesh Networks (WMNs) where we show that the design of such networks becomes an optimization problem with multiple objectives instead of a standard optimization problem (a cost function is optimized) to take into account many aspects, often contradictory, but nevertheless essential in the reality. This thesis, composed of three parts, introduces new models and algorithms for designing WMNs from scratch. The first part is devoted to the simultaneous optimization of two equally important objectives: cost and network performance in terms of throughput. Three bi-objective models which differ mainly by the approach used to maximize network performance are proposed, solved and compared. The second part deals with the problem of gateways placement, given its impact on network performance and scalability. The concept of hop constraints is introduced into the network design to reduce the transmission delay. A novel algorithm based on a clustering approach is also proposed to find the strategic positions of gateways that support network scalability and increase its performance without significantly increasing the cost of installation. The final section addresses the problem of reliability in the presence of single failures. Allowing the installation of redundant components in the design phase can ensure reliable communications, but at the expense of cost and network performance. A new algorithm is developed based on the theoretical approach of "ear decomposition" to install the minimum number of additional routers to tolerate single failures. In order to solve the proposed models for real-size networks, an evolutionary algorithm (meta-heuristics), inspired from nature, is developed. Finally, the proposed models and methods have been evaluated through empirical and discrete events based simulations.

Depuis quelques années, la recherche dans le domaine des réseaux maillés sans fil ("Wireless Mesh Network (WMN)" en anglais) suscite un grand intérêt auprès de la communauté des chercheurs en télécommunications. Ceci est dû aux nombreux avantages que la technologie WMN offre, telles que l'installation facile et peu coûteuse, la connectivité fiable et l'interopérabilité flexible avec d'autres réseaux existants (réseaux Wi-Fi, réseaux WiMax, réseaux cellulaires, réseaux de capteurs, etc.). Cependant, plusieurs problèmes restent encore à résoudre comme le passage à l'échelle, la sécurité, la qualité de service (QdS), la gestion des ressources, etc. Ces problèmes persistent pour les WMNs, d'autant plus que le nombre des utilisateurs va en se multipliant. Il faut donc penser à améliorer les protocoles existants ou à en concevoir de nouveaux. L'objectif de notre recherche est de résoudre certaines des limitations rencontrées à l'heure actuelle dans les WMNs et d'améliorer la QdS des applications multimédia temps-réel (par exemple, la voix). Le travail de recherche de cette thèse sera divisé essentiellement en trois principaux volets: le contrôle d‟admission du trafic, la différentiation du trafic et la réaffectation adaptative des canaux lors de la présence du trafic en relève ("handoff" en anglais). Dans le premier volet, nous proposons un mécanisme distribué de contrôle d'admission se basant sur le concept des cliques (une clique correspond à un sous-ensemble de liens logiques qui interfèrent les uns avec les autres) dans un réseau à multiples-sauts, multiples-radios et multiples-canaux, appelé RCAC. Nous proposons en particulier un modèle analytique qui calcule le ratio approprié d'admission du trafic et qui garantit une probabilité de perte de paquets dans le réseau n'excédant pas un seuil prédéfini. Le mécanisme RCAC permet d‟assurer la QdS requise pour les flux entrants, sans dégrader la QdS des flux existants. Il permet aussi d‟assurer la QdS en termes de longueur du délai de bout en bout pour les divers flux. Le deuxième volet traite de la différentiation de services dans le protocole IEEE 802.11s afin de permettre une meilleure QdS, notamment pour les applications avec des contraintes temporelles (par exemple, voix, visioconférence). À cet égard, nous proposons un mécanisme d'ajustement de tranches de temps ("time-slots"), selon la classe de service, ED-MDA (Enhanced Differentiated-Mesh Deterministic Access), combiné à un algorithme efficace de contrôle d'admission EAC (Efficient Admission Control), afin de permettre une utilisation élevée et efficace des ressources. Le mécanisme EAC prend en compte le trafic en relève et lui attribue une priorité supérieure par rapport au nouveau trafic pour minimiser les interruptions de communications en cours. Dans le troisième volet, nous nous intéressons à minimiser le surcoût et le délai de re-routage des utilisateurs mobiles et/ou des applications multimédia en réaffectant les canaux dans les WMNs à Multiples-Radios (MR-WMNs). En premier lieu, nous proposons un modèle d'optimisation qui maximise le débit, améliore l'équité entre utilisateurs et minimise le surcoût dû à la relève des appels. Ce modèle a été résolu par le logiciel CPLEX pour un nombre limité de noeuds. En second lieu, nous élaborons des heuristiques/méta-heuristiques centralisées pour permettre de résoudre ce modèle pour des réseaux de taille réelle. Finalement, nous proposons un algorithme pour réaffecter en temps-réel et de façon prudente les canaux aux interfaces. Cet algorithme a pour objectif de minimiser le surcoût et le délai du re-routage spécialement du trafic dynamique généré par les appels en relève. Ensuite, ce mécanisme est amélioré en prenant en compte l‟équilibrage de la charge entre cliques.
In the last few years, Wireless Mesh Networks (WMNs) area brought a new field of advanced research among network specialized scientists. This is due to the many advantages which WMN technology offers, such as: easy and inexpensive installation, reliable connectivity and flexible interoperability with other existing networks (Wi-Fi, WiMax, Cellular, Sensors, WPAN networks, etc.). However, several problems still remain to be solved such as the scalability, the security, the quality of service (QoS), the resources management, etc. These problems persist for WMNs, therefore the researchers propose to improve the existing protocols or to conceive new protocols for WMNs. In order to solve some of the current limitations met in the wireless networks and to improve QoS of real time multimedia applications in such networks, our research will be divided primarily into three parts: traffic admission control, traffic differentiation and handoff-aware channel assignment schemes. In the first part, we propose a distributed admission control scheme for WMNs, namely, Routing on Cliques (a clique is defined as a subset of logical links that interfere with each other) Admission Control (RCAC). Particularly, we propose an analytical model to compute the appropriate acceptance ratio and guarantee that the packet loss probability in the network does not exceed a threshold value. The model also allows computing end-to-end delay to process flow requests with delay constraints. In the second part, we design an efficient scheduler for Mesh Deterministic Access (MDA) in IEEE 802.11s-based WMNs, called Enhanced Differentiated-MDA (ED-MDA) to support voice and video applications with strict requirements on delay and on blocking/dropping probability. ED-MDA together with Enhanced Admission Control, namely EAC, reserves the minimum amount of necessary resources while maintaining an acceptable handoff call dropping and high resource utilization. The final section addresses handoff-aware channel assignment (CA) problem in Multiple Radios WMNs (MR-WMNs). In this section, we first propose a multi-objective optimization model that, besides maximizing throughput, improves fairness and handoff experience of mesh clients. In this model, the Jain’s index is used to maximize users’ fairness and to allow same channel assignments to links involved in the same high handoff traffic, thus reducing handoff-triggered re-routing characterized by its high latency. Second, we solved this model to obtain exact solutions by the CPLEX software for a limited number of nodes. We therefore propose to use centralized heuristics/meta-heuristics algorithms as an offline CA process to obtain near-optimal solutions for larger instances (real size network). Moreover, in order to adapt to traffic dynamics caused especially by user handoffs, an online CA scheme is proposed that carefully re-assigns channels to interfaces with the purpose of continuously minimizing the re-routing overhead/latency during user handoffs. This online scheme is improved using load balancing.

Les systèmes de télécommunications modernes exigent des débits de transmission très élevés. Dans ce cadre, le problème d'identification de canaux est un enjeu majeur. L'utilisation de techniques aveugles est d'un grand intérêt pour avoir le meilleur compromis entre un taux binaire adéquat et la qualité de l'information récupérée. En utilisant les propriétés des cumulants d'ordre 4 des signaux de sortie du canal, cette thèse introduit de nouvelles méthodes de traitement du signal tensoriel avec des applications pour les systèmes de communication radio-mobiles. En utilisant la structure symétrique des cumulants de sortie, nous traitons le problème de l'identification aveugle de canaux en ntroduisant un modèle multilinéaire pour le tenseur des cumulants d'ordre 4, basé sur une décomposition de type Parafac. Dans le cas SISO, les composantes du modèle tensoriel ont une structure de Hankel. Dans le cas de canaux MIMO instantanés, la redondance des facteurs tensoriels est exploitée pour l'estimation des coefficients du canal. Dans ce contexte, nous développons des algorithmes d'identification aveugle basés sur une minimisation de type moindres carrés à pas unique (SS-LS). Les méthodes proposées exploitent la structure multilinéaire du tenseur de cumulants aussi bien que les relations de symétrie et de redondance, ce qui permet d'éviter toute sorte de traitement au préalable. En effet, l'approche SS-LS induit une solution basée sur une seule et unique procédure d'optimisation, sans les étapes intermédiaires requises par la majorité des méthodes existant dans la littérature. En exploitant seulement les cumulants d'ordre 4 et le concept de réseau virtuel, nous abordons aussi le problème de la localisation de sources dans le cadre d'un réseau d'antennes multiutilisateur. Une contribution originale consiste à augmenter le nombre de capteurs virtuels en exploitant un arrangement particulier du tenseur de cumulants, de manière à améliorer la résolution du réseau, dont la structure équivaut à celle qui est typiquement issue de l'utilisation des statistiques d'ordre 6. Nous traitons par ailleurs le problème de l'estimation des paramètres physiques d'un canal de communication de type MIMO à trajets multiples. Dans un premier temps, nous considérons le canal à trajets multiples comme un modèle MIMO convolutif et proposons une nouvelle technique d'estimation des coefficients. Cette technique non-paramétrique généralise les méthodes proposées dans les chapitres précédents pour les cas SISO et MIMO instantané. En représentant le canal multi-trajet à l'aide d'un formalisme tensoriel, les paramètres physiques sont obtenus en utilisant une technique combinée de type ALS-MUSIC, basée sur un algorithme de sous-espaces. Enfin, nous considérons le problème de la détermination d'ordre de canaux de type RIF, dans le contexte des systèmes MISO. Nous introduisons une procédure complète qui combine la détection des signaux avec l'estimation des canaux de communication MISO sélectifs en fréquence. Ce nouvel algorithme, basé sur une technique de déflation, est capable de détecter successivement les sources, de déterminer l'ordre de chaque canal de transmission et d'estimer les coefficients associés.

Dans ces travaux de thèse, nous proposons un système de communication original permettant d’atteindre un haut débit et de répondre aux exigences de la qualité de service requise pour les communications courte portée dans le cadre du transport intelligent. Ce système se base sur la technologie Ultra Large Bande Impulsionnelle (IR-ULB) et sur un nouveau schéma de modulation nommé M-OAM (M-Orthogonal Amplitude Modulation). Les modulations M-OAM se basent sur le principe des modulations M-QAM en remplaçant les porteuses par des formes d’ondes ULB orthogonales de type MGF (Modified Gegenbauer Function). Ces modulations ont été évaluées sous les conditions d’un canal AWGN et des canaux IEEE 802.15.3a et IEEE 802.15.4a qui tiennent compte des paramètres réels de la route. En plus du haut débit exigé par les communications inter-véhiculaires, il faut assurer un échange d’informations simultané entre plusieurs utilisateurs de la route et garantir une bonne qualité de service. Dans cette optique, une nouvelle technique d’accès multiple adaptée est proposée. Chaque utilisateur a la possibilité d’utiliser la modulation OAM adéquate selon le débit désiré. Le récepteur de ce système se caractérise par un aspect intelligent grâce à l’intégration des principes de la Radio Cognitive (RC) qui permet de détecter l’arrivée du signal et d’identifier les paramètres de la modulation utilisée afin de s’y adapter d’une façon autonome. Une bonne qualité de service est assurée par la proposition d’une nouvelle technique de démodulation qui se base sur les Statistiques d’Ordres Supérieurs (SOS) permettant d’éliminer le bruit Gaussien. Les bonnes performances du système de communication M-OAM ainsi que l’ensemble des aspects proposés ont été validés expérimentalement au sein du laboratoire IEMN-DOAE. Dans la dernière partie de ce document nous avons présenté la réalisation d’un prototype de ce traitement en temps réel sur une plateforme FPGA, en exploitant des algorithmes parallélisables sur des architectures reconfigurables
In this work of thesis, we propose an original communication system allowing to reach high data rate and to fulfill the requirements of quality of service necessary for the communications short range dedicated to intelligent transport. This system is based on the Ultra Wide Band Impulse (IR-ULB) technology and on new modulation scheme named M-OAM (M-states Orthogonal Amplitude Modulation). M-OAM modulations are based on the principle of modulations M-QAM by replacingthe carriers used for QAM modulation with orthogonal waveforms ULB type MGF (Modified Gegenbauer Function). These modulations were evaluated under the conditions of AWGN channel and IEEE 802.15 channels which take account of the real parameters of the road. Besides the high speed required by inter-vehicular communications, it is necessary to ensure simultaneous information exchange between several users of the road. Accordingly, new adaptive multiple access system is proposed. Each user has the possibility to use the adequate modulation OAM according to the desired speed. The receiver of this system is characterized by an intelligent aspect thanks to the integration of the principle of Cognitive Radio (RC) which makes it able to detect the signal arrival and to identify the parameters of the used modulation in order to adapt the demodulation in an autonomous way. A good quality of service is ensured by the proposed novel demodulation method based on the Higher Orders Statistics (HOS) to eliminate the Gaussian noise. The good performances of M-OAM communication system M-OAM as well as the whole of the suggested aspects are validated in experiments within IEMN-DOAE laboratory. In the last part of this document we presented the realization of prototype using real time processing developed on FPGA plateform and exploiting parallelisable algorithms on reconfigurable architectures