Дисертації з теми "Informatique omniprésente – Radio cognitive"

Le réseau de capteurs sans fil (WSN) se compose d'un grand nombre de minuscules dispositifs appelés nœuds, et ces nœuds sont généralement limités en puissance et ils sont déployés de manière aléatoire dans une zone géographique à des fins de surveillance. En raison du grand nombre de nœuds dans le WSN, leur demande en ressources de fréquence devient un véritable défi en raison de la rareté du spectre. La radio cognitive (CR) a été introduite pour améliorer l'efficacité spectrale. La CR classe les utilisateurs entre l'utilisateur principal (PU) qui détient une licence sur une bande passante du spectre et l'utilisateur secondaire (SU), c'est-à-dire un utilisateur opportuniste. L'intégration de CR dans WSN se traduit par un réseau de capteurs radio cognitifs (CRSN). Dans le CRSN, les nœuds se comportent comme des SU. Cependant, l'adoption du CRSN peut être confrontée à plusieurs défis. En effet, les nœuds du réseau peuvent arrêter de transmettre pour éviter toute interférence nuisible pour PU. De plus, la contrainte de consommation d'énergie doit être respectée. D'autres fonctionnalités peuvent être affectées par l'adoption du CRSN, telles que le processus de regroupement et l'agrégation de données dans le réseau, en particulier dans un CRSN basé sur un routage multi-sauts. Dans ce manuscrit, nous abordons les défis du CRSN à différents niveaux. Premièrement, le regroupement des nœuds améliore l'efficacité du réseau. En pratique, le regroupement des nœuds du réseau permet d'économiser de l'énergie lors de la transmission des données. Ainsi, nous étudions le nombre optimal de clusters dans le réseau en fonction de la consommation d'énergie lors de la transmission de données et de la détection du spectre pour prolonger la durée de vie du réseau. Ensuite, nous présentons LIBRO, un nouveau protocole de routage multi-sauts montant basé sur les informations de localisation géographique. LIBRO assure la livraison de paquets de données rectifiés dans des réseaux denses sans connaissance de la topologie ou des nœuds de chemin. Enfin, nous avons utilisé LIBRO et la technique de récupération d'énergie pour prolonger la durée de vie du CRSN. Ainsi, en résolvant un problème d'optimisation joignant la probabilité de collision, la consommation d'énergie, le délai de livraison des paquets et le taux de livraison des paquets, les paramètres appropriés sont trouvés. [Google traduction]
The Wireless Sensor Network (WSN) consists of a large number of tiny devices called nodes, and these nodes are generally limited in power and they are randomly deployed in a geographical area for monitoring purpose. Because of the large number of nodes in the WSN, their demand on the frequency resources becomes a real challenge due to the spectrum scarcity. Cognitive Radio (CR) was introduced to enhance the spectral efficiency. The CR classifies users into the Primary User (PU) that holds a license over a spectrum bandwidth, and the Secondary User (SU), i.e., an opportunistic user. The integration of CR into WSN results in a cognitive radio sensor network (CRSN). In CRSN, the nodes behave as SUs. However,the adoption of CRSN may face several challenges. Indeed, network nodes may stop transmitting to avoid any harmful interference for PU. In addition, energy consumption constraint should be respected. Other features may be impacted by the adoption of CRSN, such as the clustering process and the in-network data aggregation, especially in a multi-hop routing based CRSN. In this manuscript, we tackle the challenges of the CRSN from different levels. Firstly, clustering nodes enhances network efficiency. In practice, grouping the network nodes saves energy during data transmission. Thus, we investigate the optimal number of clusters in the network based on energy consumption during data transmission and spectrum sensing to extend network lifespan. Then, we present LIBRO, a new uplink multi-hop routing protocol based on the geographical location information. LIBRO ensures delivery of rectified data packets in dense networks without knowledge of topology or path nodes. Finally, we used LIBRO and the energy harvesting technique to extend the CRSN's lifespan. Thus, by solving an optimization problem jointing the collision probability, energy consumption, packet delivery delay and packet delivery ratio, the appropriate parameters are found

L'augmentation des terminaux mobiles sans-fil a saturé le spectre radio. Cependant, de nombreuses études de la Commission Fédérale des Communications ont montré que certaines bandes de fréquence licenciées sont peu utilisées selon la zone géographique et la période de temps. Cette utilisation varie de 15% à 85%. Par conséquent, les réseaux à radio cognitive (RRC) ont été introduits comme une nouvelle technique de communication afin d'utiliser le spectre radio plus efficacement. Dans les RRC, les utilisateurs à radio cognitive (RC), qui utilisent les bandes de fréquence non-licenciées, sélectionnent de façon opportuniste les canaux de transmission licenciés et assurent que leurs émissions ne perturbent pas les communications des utilisateurs primaires qui ont un droit exclusif aux bandes de fréquences licenciées. Dans cette thèse, nous étudions le contrôle de puissance ainsi que le routage afin d'améliorer la performance du réseau ad-hoc à RC. Tout d'abord, pour améliorer la performance du réseau en déployant une topologie de réseau appropriée, nous proposons un contrôle de puissance qui permet d'obtenir qu'une topologie de réseau. Ensuite, pour réponde au problème d'arrivée ou de départ fréquent des utilisateurs primaires qui peut conduire à un re-routage, nous proposons une nouvelle approche pour la maintenance de flux et le contrôle de puissance pour les réseaux ad-hoc RC. Enfin, nous proposons un protocole de routage orienté application pour les réseaux ad-hoc à RC. Nous avons trouvé que chaque application a son propre comportement de transmission et que différents modèles de disponibilité de fréquence correspondent aux différents types d'application
A large number of wireless services have been introduced over the last decade to satisfy new demands of mobile users. However, the proliferation of wireless computing and communication devices make the radio spectrum overcrowded. It is revealed in the Federal Communication Commission report that many spectrum bands are used only in bounded geographical areas or over limited periods of time, and that the spectrum utilization varies from 15% to 85%. As a consequence, the Cognitive Radio Networks (CRNs) have been introduced as a new alternative wireless communication paradigm to utilize the radio spectrum more efficiently. In this dissertation, we investigate the power control and routing perspectives to enhance the network performance and power utilization in CRN. First, aiming to enhance the network performance by deploying a proper network topology for a particular communication purpose, we propose a topology deployment oriented power control scheme for cognitive radio ad-hoc network. Second, to tackle the problem of the frequent arrival and leaving of primary users which can lead to the heavy traffic overhead caused by re-routing, we propose a new approach for joint flow maintenance and power control, called flow-based power control, for cognitive radio ad-hoc network. The power control scheme targets on to utilize the power resource more efficiently by only allocating power resource to the maintained flows. Finally, we propose an application-oriented routing protocol (AORP) in cognitive radio ad-hoc network. AORP builds the route for data transmission in combination with channel selection based on the application of the node initializing the data transmission

Les progrès récents des technologies de communication et la prolifération de l'informatique sans fil et des dispositifs de communication, ont induit 'a une surcharge dans l'utilisation du spectre radio. Cependant, les expériences de la Commission Fédérale de Communication (FCC) ont révélé que l'utilisation du spectre varie entre 15% et 85%. Par conséquent, les réseaux radios cognitifs (Cognitive Radio Networks ou CRNs) sont proposés afin d'utiliser le spectre radio d'une manière opportuniste. Dans ce type de réseaux radios cognitifs, où les fréquences de transmission sont sélectionnées d'une manière opportuniste - également sont appelés réseaux Ad-Hoc à radios cognitives -, la fiabilité de la dissémination des données est difficile 'a réaliser. D'abord, en plus des défis déjà connus dans les environnements sans fils, la diversité dans le nombre de fréquences qu'un noeud à radio cognitif a droit d'utiliser ajoute un autre défi, en limitant l'accessibilité à ses noeuds voisins. Deuxièmement, les noeuds à radio cognitif (CR) doivent conquérir les ressources de fréquences résiduelles avec les noeuds à radio primaire (PR), tout en essayent de les exploiter d'une manière opportuniste. En outre, les noeuds CR ne devraient pas perturber la qualité de réception des noeuds PR durant leur communication, et ce en limitant les interférences entre les deux de noeuds. Par conséquent, une nouvelle méthode de sélection de fréquences est requise afin de réduire le nombre d'interférences nuisibles aux noeuds PR, et maximiser les chances de délivrance des messages aux voisins récepteurs des noeuds CR, et augmenter ainsi la fiabilité des données disséminées. Dans cette thèse nous proposons SURF, une nouvelle méthode distribuée de sélection de fréquences pour la dissémination fiable de données dans un réseau radio cognitif multi-sauts. SURF classifie les fréquences radio disponibles en fonction de l'occupation des fréquences des noeuds à radio primaire et le nombre de noeuds 'a radio cognitive utilisant ces fréquences. Les résultats de simulation obtenus par NS-2 confirment que SURF est une stratégie efficace dans la sélection des meilleures fréquences de diffusion de données, comparée aux autres approches liées. Nous avons aussi constaté que les stratégies de sélection de fréquences sont considérablement influencées par l'activité des noeuds 'a radio primaire. Dans la suite ce cette thèse, nous étudierons et analyserons l'impact des modèles d'activités des noeuds PR sur les différentes stratégies de sélection de fréquences à travers des simulations basées NS-2. Nous avons remarqué que l'activité intermittente de PR est le cas où les solutions intelligentes doivent opérées. C'est dans ce cas où SURF donne les meilleures résultats et la région ciblée se serve des opportunités de communication. Enfin, dans cette thèse, nous allons encore plus loin en vérifiant l'applicabilité et la faisabilité de SURF. Dans cette perspective, d'abord, nous proposons une architecture d'accès à internet basse sur la radio cognitive pour les réseaux partiellement endommagés. Nous discutons les détails architecturaux et le principe de fonctionnement de l'architecture proposée. Nous avons également passé en revue les enjeux et les défis de déploiement de cette nouvelle architecture. Deuxièmement, nous discutons l'applicabilité de SURF dans le contexte de l'agrégation de fréquences et à cet égard, nous discutons une stratégie d'interférence basée sur l'agrégation de fréquences pour les réseaux radios cognitifs.

Pour supporter l’évolution constante des standards de communication numérique, du GSM vers la 5G, les équipements de communication doivent continuellement s’adapter. Face à l’utilisation croissante de l’internet, on assiste à une explosion du trafic de données, ce qui augmente la consommation d'énergie des appareils de communication sans fil et conduit donc à un impact significatif sur les émissions mondiales de CO2. De plus en plus de recherches se sont concentrées sur l'efficacité énergétique de la communication sans fil. La radio Intelligente, ou Cognitive Radio (CR), est considérée comme une technologie pertinente pour les communications radio vertes en raison de sa capacité à adapter son comportement à son environnement. Sur la base de métriques fournissant suffisamment d'informations sur l'état de fonctionnement du système, une décision optimale peut être effectuée en vue d'une action de reconfiguration, dans le but de réduire au minimum la dissipation d'énergie tout en ne compromettant pas les performances. Par conséquent, tout équipement intelligent doit disposer d’une architecture de gestion de la reconfiguration. Nous avons retenu l’architecture HDCRAM (Hierarchical and Distributed Cognitive Radio Architecture Management), développée dans notre équipe, et nous l’avons déployée sur des plates-formes hétérogènes. L'un des objectifs est d'améliorer l'efficacité énergétique par la mise en œuvre de l’architecture HDCRAM. Nous l’avons appliquée à un système OFDM simplifié pour illustrer comment HDCRAM permet de gérer efficacement le système et son adaptation à un environnement évolutif
As the digital communication systems evolve from GSM and now toward 5G, the supported standards are also growing. The desired communication equipments are required to support different standards in a single device at the same time. And more and more wireless Internet services have been being provided resulting in the explosive growth in data traffic, which increase the energy consumption of the communication devices thus leads to significant impact on global CO2 emission. More and more researches have focused on the energy efficiency of wireless communication. Cognitive Radio (CR) has been considered as an enabling technology for green radio communications due to its ability to adapt its behavior to the changing environment. In order to efficiently manage the sensing information and the reconfiguration of a cognitive equipment, it is essential, first of all, to gather the necessary metrics so as to provide enough information about the operating condition thus helping decision making. Then, on the basis of the metrics obtained, an optimal decision can be made and is followed by a reconfiguration action, whose aim is to minimize the power dissipation while not compromising on performance. Therefore, a management architecture is necessary to be added into the cognitive equipment acting as a glue to realize the CR capabilities. We introduce a management architecture, namely Hierarchical and Distributed Cognitive Radio Architecture Management (HDCRAM), which has been proposed for CR management by our team. This work focuses on the implementation of HDCRAM on heterogeneous platforms. One of the objectives is to improve the energy efficiency by the management of HDCRAM. And an example of a simplified OFDM system is used to explain how HDCRAM works to efficiently manage the system to adapt to the changing environment

La radio cognitive est proposée comme une solution prometteuse pour la prochaine génération de réseaux de communication sans fil. Les utilisateurs de radio cognitive sont tenus d'effectuer des sauts entre les différents canaux sans fil non utilisés. Cependant il devra interrompre ses communications lorsqu'un utilisation licencié souhaitera utiliser ce canal. Les sauts de fréquences peuvent provoquer des interruptions de transmission conduisant à la dégradation des services. Nous étudions et développons des stratégies efficaces de gestion de spectre qui veillent aux divers besoins des services utilisant la radio cognitive. Tout d'abord, nous proposons un nouvel algorithme de transfert de spectre ainsi que de nouvelles stratégies de sélection de spectre afin de respecter les impératifs de délai. Nous estimons notamment le retard des paquets d'arrivée basé sur les paquets précédents dans la file d'attente en les comparant à un délai maximal limite. Ensuite, nous utilisons ces retards pour estimer un seuil de guidant les sauts de fréquence et les décisions de sélection. Puis, nous mettons l'accent sur les garanties de débit en examinant les intéractions autre les sauts de fréquences et le partage de spectre. Ces résultats nous donnent des indications et des lignes directrices afin de concevoir des heuristiques de partage de spectre prenant en compte les stratégies de sélection de canaux et les sauts de fréquences. Enfin, nous développons une heuristique pour le partage de spectre basé sur de nouveaux algorithmes du partage statique et dynamique du spectre. Ils sont basés essentiellement sur une approche de compensation de débit et de Best Fit Algorithms
Cognitive radio is proposed as a promising solution for the next generation of wireless communication networks. Cognitive radio users are required to perform spectrum handoff from a wireless channel to another in order to cope with the dynamic spectrum environment imposed by licensed users. Spectrum handoff can cause transmission interruptions leading to the degradation of services. We study and develop efficient spectrum management strategies that aim to provide diverse service requirements for cognitive radio users. First, we propose novel spectrum handoff and selection strategies in order to satisfy a delay requirement. In particular, we estimate the delay of arrival packets based on the prior packets in the queue and compare it to a maximum delay bound. Then, we use the expected delays to estimate a delay violation ratio that guides the spectrum handoff and selection decisions. Our strategies reduce the number of spectrum handoff significantly compared to existing approaches while the delay requirement is guaranteed. Second, we consider the rate requirement by investigating the interaction between spectrum handoff and spectrum sharing through an optimization framework. The results provide useful insights and guidelines for designing efficient spectrum sharing heuristics that take into account spectrum handoff and selection strategies. Finally, we develop a heuristic for spectrum sharing that includes novel static and dynamic spectrum sharing algorithms based essentially on a rate compensation approach and adapted best fit algorithms. Our heuristic reduces the number of handoffs significantly while the achieved rate is fulfilling compared to the optimal

Vu que la modulation multi-porteuses est largement utilisée dans les communications sans fil et la radio cognitive (CR pour “Cognitive Radio”) améliore l’utilisation des ressources radio et du spectre, nous nous concentrons sur les réseaux radio cognitifs (CR) pour faire progresser l’allocation des ressources, le routage, et l’ajustement de la puissance d’émission vers les récepteurs (synthèse de faisceaux ou beamforming) dans cette thèse. Nous étudions deux types de modulations multi-porteuses :Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) à base d’ondelettes (WOFDM pourWavelet OFDM) et OFDM dans sa forme classique ou traditionnelle (OFDM s’appuyant sur la transformation de Fourier pour partager les ressources). WOFDM adopte Wavelet Packet Modulation (WPM) pour obtenir des lobes secondaires beaucoup plus faibles dans la densité spectrale de puissance du signal transmis en comparaison à OFDM. WPM permet de surcroit à WOFDM de s’affranchir du Préfixe Cyclique (indispensable à OFDM) et d’exploiter l’égalisation pour combattre l’Interférence entre Symboles (ISI). Nous évaluons la performance de WOFDM sous différentes conditions du canal radio. Nous comparons la performance de WOFDM, qui s’appuie sur l’égalisation dans le domaine temporel, à celle de OFDM, qui requiert l’utilisation du Préfixe Cyclique et opère dans le domaine fréquentiel
In view of the wide usage of multicarrier modulation in wireless communications and the prominent contribution of Cognitive Radio (CR) to deal with critical shortage of spectrum resource, we focus on multicarrier based cognitive radio networks to investigate general resource allocation issues: subcarrier allocation, power allocation, routing, and beamforming in this thesis. We investigate two types of multicarrier modulation: Wavelet-based Orthogonal Frequency Division Multiplexing (WOFDM) and Fourier-based Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). WOFDM adopts Wavelet Packet Modulation (WPM). Compared with fourier-based OFDM, wavelet-based OFDM achieves much lower side lobe in the transmitted signal. Wavelet-based OFDM excludes Cyclic Prefix (CP) which is used in fourier-based OFDM systems. Wavelet-based OFDM turns to exploit equalization to combat Inter-Symbol Interference (ISI). We evaluate the performance of WOFDM under different channel conditions. We compare the performance of wavelet-based OFDM using equalization in the time domain to that of fourier-based OFDM with CP and the equalization in the frequency domain

Le travail présenté porte sur la mise en œuvre d’une architecture de gestion pour équipement radio cognitif en vue d’applications dans le domaine des radiocommunications. L’architecture retenue porte le nom HDCRAM (Hierarchical and Distributed Cognitive Radio Architecture Management). HDCRAM est distribuée de façon hiérarchique au sein de l’équipement afin de prendre en compte l’une des problématiques qui est l’hétérogénéité des plateformes d’exécution. Grâce à une modélisation à haut niveau d’abstraction par l’utilisation d’UML nous avons pu définir HDCRAM de façon totalement indépendante des contraintes matérielles. Le choix de doter cette modélisation d’un métalangage de programmation exécutable nommé Kermeta permet d’ajouter une description comportementale. La finalité de ce travail est de proposer un simulateur qui permet de valider et de raffiner HDCRAM par la simulation de scénario radio cognitif. Ainsi le simulateur devient un outil de conception pour équipement Radio Cognitif
This work focuses on the implementation of a management architecture for cognitive radio equipment for applications in the field of radiocommunications. The architecture is named HDCRAM (Hierarchical and Distributed Cognitive Radio Architecture Management). HDCRAM is hierarchically distributed in the equipment to take into account heterogeneity of execution platforms. Thanks to a precise management for both reconfiguration and decision-making leading to a reconfiguration of all or part of the system. Through the use of UML language, for high level of abstraction modeling, we define a platform independent model of HDCRAM which offers an extended opportunity in terms of reusability and modularity. The choice to use an executable metamodeling language as Kermeta for HDCRAM allows describing both structural and behavioral part of our architecture and gives the opportunity to make functional simulation

Smart homes are residences equipped with information and communication technologies that anticipate and respond to the needs of the occupants. Despite the numerous research and industrial efforts, today only few expensive smart homes have been built and sold. The reason behind this slow uptake is the technology-driven approach characterizing existing solutions. The doctoral Thesis aims at demonstrating that a smart home can provide functionalities designed with a user-centered approach, taking into account ergonomic considerations about domestic activity and human cognition. This is achieved in collaboration with cognitive ergonomists, which help "minding the gap" between human context and machine-understandable context. Using off-the-shelf and lightweight instrumentation (also minimizing privacy concerns), extending existing context modeling, reasoning and management tools and following the Ubiquitous Computing principles, the doctoral work led to the following achievements: (i) the inter-disciplinary design of suitable functionalities, in collaboration with cognitive ergonomists; (ii) the design of a context-aware system that captures and reasons about uncertain contextual information in a distributed fashion; (ii) the realization of a working prototype that demonstrates the provision of energy-saving and comfort-preserving functionalities.

* La multiplication des standards de télécommunications fait apparaître la nécessité de disposer de terminaux multistandard et reconfigurables. Ces nouvelles fonctionnalités trouvent leurs réponses dans le domaine de la radio logicielle. De tels terminaux ne sont pas encore réalisables pour des raisons technologiques liées à la complexité nécessaire à leur réalisation (convertisseurs ultra rapides, processeurs reconfigurables, antennes et amplificateurs très large bande, ....). En se basant alors sur une véritable technologie radio logicielle, la radio intelligente va encore plus loin dans la prospective en dotant le terminal de capteurs qui lui permettront de s'adapter et de réagir vis à vis de son environnement. La radio devient alors décentralisée et flexible se détachant de la notion de standards et transmettant de façon opportuniste une communication dans une bande qui aura été détectée comme libre. Cette présentation s'inscrit dans le contexte présenté ci-dessus en se focalisant sur les conséquences de l'amplification de puissance d'un signal multistandard. En effet, l'amplication de puissance est un étage fondamental de tout système radio et certaines précautions doivent être prises avant d'amplifier un signal. En effet, les amplificateurs ont des caractéristiques non linéaires et de faibles rendements nécessitant un traitement du signal à amplifier afin de limiter d'une part les distorsions non linéaires et d'autre part la consommation des terminaux. Les signaux caractérisant les systèmes multistandard ayant des caractéristiques proches de celle d'un signal OFDM (connu pour les problèmes liés à l'amplification de puissance), ce travail apporte des réponses sur : * les niveaux de puissance d'un signal multistandard * les méthodes à développer pour en minimiser les fluctuations de puissance * les conséquences de l'accès opportuniste au spectre sur les fluctuations de puissance dans un contexte de radio intelligente

La concordance est un moyen d'explorer un texte. Cet outil fournit une liste alphabetique de mots avec leur contexte. La plus ancienne concordance connue apparait au debut du 13e siecle. A la fin du 20e siecle la concordance demeure plus que jamais vivante. D'ou lui vient cette longevite? ce vieil outil a toujours su s'adapter et se moderniser pour repondre aux besoins de ses utilisateurs. Les premiers de ceux-ci avaient en commun leur interet pour l'etude approfondie de la bible qu'ils la lisent en latin, grec ou hebreu. C'est pourquoi des concordances ont ete etablies dans ces trois langues. La concordance reste pendant longtemps un outil attache exclusivement a la bible. Il faut attendre la fin du 18e siecle pour qu'i soit egalement utilise pour d'autres textes que les ecritures. Nous avons voulu montrer pourquoi les concordances etaient apparues, a quels besoins elles repondaient a l'origine, et quelle avait ete leur evolution. Depuis le 13e siecle, des hommes se sont atteles a ce long et fastidieux travail, d'abord "a la main", puis aides par l'apparition de l'imprimerie, et enfin par celle de la machine. Cependant, ils ont toujours du faire face aux memes problemes. Les progres technologiques ont impose l'usage du micro-ordinateur. Celui-ci a permis de faire evoluer la facon d'aborder les concordances. On ne s'interesse plus desormais a la consultation de longues listes de mots et de contextes, mais on privilegie l'etude d'une forme et de ses liens avec son voisinage. C'est ce que nous presentons avec le logiciel saint chef. Les logiciels de concordance peuvent encore a l'avenir etre ameliores pour rendre leur utilisation plus conviviale et plus souple, mais surtout il parait interessant d'orienter les travaux futures vers la construction de tableaux de concordances, non plus de "polygrammes" mais de formes reconnues par leur categorie grammaticale
The concordance is a means of exploring a text. This tool provides an alphabetical list of words with their context. The oldest known concordance appears at the beginning of the 13th century. At the end of the 20th century, the concordance remains more alive than ever. Where does its longevity comes from? this long-established tool has always been able to adapt itself and to modernize itself in order to meet the needs of its users. The first of these had in common an interest in the thorough study of the bible which they read either in latin, greek or in hebrew. That is why the concordances were set up in these languages and remained for a long time a tool exclusively linked to the bible. One has to wait until the end of the 18th century for it to be used for other texts besides the scriptures. We have trie d to show why the concordances came to light, what needs the met originally and how they evolved. Since the 13th century , people have been working away at this long and tedious undertaking, first "by hand", then helped by the arrival of of printing and finally by that of the machine. However they always had to face the same problems. Technological progess have imposed the use of the computer which enabled the development of the way the concordance were to be tackled. From now on, people are no longer interested in consulting long lists of words and theirs contexts, but it is the study of the forms and its links with its environment which is of interest. That is what is set out with the software "saint chef". The concordance software can be further improved in the future in order to make them more user-friendly and more flexible

Le plan d’attribution du spectre présente un problème de déficit de ressources dans les réseaux sans fil. En 2002, la FCC (Federal Communication Commission) a rapporté que le spectre radioélectrique était de 20% à 85% sous-utilisé. L’utilisation inefficace du spectre est un problème majeur qui doit être résolu si l’on veut que les communications radio se développent. La FCC a ensuite changé la politique de gestion du spectre pour la rendre plus souple en s’interessant à l’approche radio cognitive (CR). La radio cognitive est un type de radio intelligente qui explore l’environnement de fréquences radio, apprend et décide d’utiliser la partie inutilisée du spectre. Les principales fonctions de la CR sont la détection, la prise de décision, et le partage. Cependant, ces radios doivent respecter les infrastructures sans fil standards en minimisant leur impact sur les appareils prioritaires, également appelés systèmes primaires. La coexistence entre les systèmes CR et les systèmes primaires nécessite des processus d’observation et de gestion des interférences dédiés. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à la phase d’observation du point de vue CR. La zone de chevauchement entre un émetteur CR et l’émetteur primaire (PR) est analysée et prise en compte. L’impact de cette zone est appris par simulation et présenté dans le chapitre 4. En conséquence, des interférences potentielles sont envisagées. Durant la phase d’observation, nous étudions un mécanisme permettant de mieux prévenir la perturbation sur les dispositifs PR en utilisant le Grey Model et le filtre de Kalman comme modèle de prédiction de la densité des récepteurs primaires. En complément à cette observation, nous fournissons une stratégie visant à combiner les observations obtenues en une mesure qui pourra être utilisée par le routage dans le cadre de la coexistence entre réseaux radio cognitive (CRN) et réseaux primaires. La stratégie proposée utilise la logique floue et est présentée dans le chapitre 5. Dans ce chapitre, nous étudions comment la couche réseau réagit et prend les bonnes décisions pour maximiser l’utilisation des ressources du spectre, tout en évitant les interférences avec les récepteurs primaires. Par exemple, un noeud CR peut fonctionner dans une zone de recouvrement, si les récepteurs primaires sont inactifs dans cette zone. Ainsi, nous avons proposé un mécanisme de routage basé sur le protocole de routage DYMO qui prend en compte l’impact relatif observé. Dans ce même chapitre, nous avons également présenté des scénarios pratiques illustrant l’utilité de notre proposition. L’interconnexion des noeuds CR dans le CRN est aussi un problème crucial pour la mise en place du réseau. C’est pourquoi nous présentons un processus de diffusion par balises au chapitre 6. Dans ce chapitre, nous décrivons également un dispositif pratique conçu pour des expériences en radio cognitive. Même si notre travail se rapporte à différentes couches de la pile protocolaire, le cadre général que nous avons conçu est multicouches. En effet, les composants accèdent aux différentes couches pour récupérer l’information, la traiter et réagir en conséquence. Ainsi, notre travail constitue un environnement inter-couches pour un dispositif radio cognitive local visant à minimiser les interférences et à maximiser les ressources réseau dans les réseaux radio cognitive
A fixed spectrum assignment scheme has a problem with resource deficiency in a wireless network. In 2002, the US Federal Communication Commission (FCC) reported that the radio spectrum was 20% to 85% under-utilized. The insufficient use of the spectrum is a critical issue for radio communication; as communication grows, a fixed spectrum becomes more limiting. The FCC then changed its spectrum management policy to make it more flexible by investigating the cognitive radio (CR) approach. Cognitive radio is a type of intelligent radio that explores the radio frequency environment, learns, and decides to use the unused portion of the frequency. The main functions of a CR are sensing, decision making, and sharing. However, these radios have to respect the standard wireless infrastructures by ensuring the least impact with their devices, also known as primary radios. Coexistence between CR systems and primary systems requires dedicated observation processes and interference management. In this thesis, observation from a CR point of view is presented. The overlapping area between a CR transmitter and primary radio (PR) transmitter is analysed so that it can be taken into account. The impact of this area is learnt by simulation and presented in Chapter 4. As a consequence, potential interference is envisaged. Along with observation, we investigate a proper mechanism to better prevent perturbation on PR devices using the Grey model and Kalman filter as a prediction model for predicting the density of primary receivers. In addition, we provide a strategy to combine the obtained observations into a metric that can be used in routing design in the context of coexistence between Cognitive Radio Networks (CRNs) and primary networks. The proposed strategy, using fuzzy logic, is presented in Chapter 5. In this chapter, we investigate how the routing layer reacts and makes the right decisions to maximise the spectrum resources, while avoiding interference with the primary receivers. For instance, a CR node can operate in an overlap region if primary receivers are inactive within this area. Also, we propose a routing mechanism based on the DYMO routing protocol that takes into account the observed relative impact. In the same chapter, we provide some practical scenarios illustrating the usefulness of our proposal. Interconnecting the CR nodes in CRNs is also a critical problem for the establishment of the network. We therefore present a beacon-based dissemination process in Chapter 6. In this chapter, we also describe a practical device designed for cognitive radio experiments. Even though our work affects different protocol layers, the designed framework is cross-layered. Indeed, the different components of the proposed framework access the various layers to retrieve information, process it, and react accordingly. Thus, our work constitutes a cross-layer framework for a local cognitive radio that aims to minimise the interference and maximise the network resources in cognitive radio networks

Software Defined Radio (SDR) and Cognitive Radio (CR) are entering mainstream. These high performance and high adaptability requiring devices with agile frequency operations hold promise to :1. address the inconsistency between hardware and software advancements, 2. real time mode switching from one radio configuration to another and3. efficient spectrum management in under-utilized spectrum bands. Framed within this statement, in this thesis we have implemented a SDR waveform on 16 Processing Element (PE) Network on chip (NoC) based general purpose Multiprocessors System on chip (MPSoC), with access to four external DDR2 memory banks, which is implemented on a single chip Xilinx Virtex-4 FPGA. We shifted short term development of a waveform into software domain by designing an efficient parallelization and synchronization strategy for each waveform component, individually. We enhance our designed waveform functionality by proposing and implementing three Artificial Neural Networks Schemes : Self Organizing Maps, Linear Vector Quantization and Multi-Layer Perceptrons as effective techniques for reconfiguring CR Transceiver after recognizing the specific standard based on input parameters, pertaining to different layers, extracted from the signal. Our proposed adaptive solution switches to appropriate Artificial Neural Network, based on the features of input signal sensed. We designed an efficient synchronization and parallelization strategy to implement the Artificial Neural Networks based CR Transceiver Algorithms on the aforementioned MPSoC chip. The speed up we obtained for our SDR waveform and CR Transceiver algorithms demonstrated that the general purpose MPSoC devices are the most efficient answer to the acquisition challenge for major organizations that invest or plan to invest in SDR and CR based devices, thereby allowing us to avoid expensive hardware accelerators. We address the case of a complex signal composed of many modulated carriers by dividing the PEs in individual groups, thus received signal with more than one Standard is processed efficiently. We add further functionality in our designed Multi-standard CR Transceiver possessing SDR Waveform by proposing a new approach for radio spectrum management, perhaps the most important aspect of CR. We make our designed waveform Spectrum efficient by modelling the primary user signal Radio Frequency features as a multivariate time series, which is then given as input to Elman Recurrent Neural Network that predicts the evolution of Radio Frequency Time Series to decide if the secondary user can exploit the Spectrum band. We exploit the inherent cyclostationary in primary signals for Non-linear Autoregressive Exogenous Time Series Modeling of Radio Frequency features, as predicting one RF feature needs the previous knowledge of other relevant RF features. We observe a similar trend between predicted and actual values. Ensemble, our designed Spectrum Efficient SDR waveform with a Universal Multi-standard Transceiver answers the SDR and CR performance requirements under resource constraints by efficient algorithm design and implementation using lateral thinking that seeks a greater cross-domain interaction

Dans cette thèse nous nous intéressons au développement d'une méthode de prise de décision pour un équipement de réception de Radio Intelligente qui s'adapte dynamiquement à son environnement. L'approche que nous adoptons est basée sur la modélisation statistique de l'environnement radio. En caractérisant statistiquement les observations fournies par les capteurs de l'environnement, nous mettons en place des règles de décisions statistiques qui prennent en considération les erreurs d'observation des métriques radio, ce qui contribue à minimiser les taux des décisions erronées. Nous visons aussi à travers cette thèse à utiliser les capacités intelligentes de prise de décision pour contribuer à la réduction de la complexité de calcul au niveau de l'équipement de réception. En effet, nous identifions des scénarios de prise de décision de reconfiguration qui limitent la présence de certains composants ou fonctions de la chaîne de réception. En particulier, nous traitons, deux scénarios de décision qui adaptent respectivement la présence des fonctions d'égalisation et du beamforming en réception. La limitation de ces deux opérations contribue à la réduction de la complexité de calcul au niveau de la chaîne de réception sans dégrader ses performances. Enfin, nous intégrons notre méthode de décision par modélisation statistique ainsi que les deux scénarios de décision traités dans une architecture de gestion d'une radio intelligente, afin de mettre en valeur le contrôle de l'intelligence et de la reconfiguration dans un équipement radio.

The present dissertation deals with how to use the precious wireless resources that are usually wasted by under-utilization of networks. We have been particularly interested by all resources that can be used in an opportunistic fashion using different technologies. We have designed new schemes for better and more efficient use of wireless systems by providing mathematical frameworks. In the first part, We have been interested in cognitive radio networks, where a cellular service provider can lease a part of its resources to secondary users or virtual providers. In the second part, we have chosen delay-tolerant networks as a solution to reduce the pressure on the cell traffic, where mobile users come to use available resources effectively and with a cheaper cost. We have focused on optimal strategy for smartphones in hybrid wireless networks. In the last part, an alternative to delay-tolerant networks, specially in regions that are not covered by the cellular network, is to use Ad-hoc networks. Indeed, they can be used as an extension of the coverage area. We have developed a new analytical modeling of the IEEE 802.11e DCF/EDCF. We have investigated the intricate interactions among layers by building a general cross-layered framework to represent multi-hop ad hoc networks with asymmetric topology and traffic

Le concept de radio logicielle (SDR) est une solution pertinente pour concevoir des équipements multi-standards. Une façon de réaliser de tels équipements est d'identifier les fonctions et opérateurs communs entre les standards. Cette approche s'appelle la paramétrisation et est divisée en deux catégories : l'approche pragmatique qui est une version pratique pour créer et développer des opérateurs communs à partir d'opérateurs existants, et l'approche théorique dont l'objectif est de réaliser une exploration graphique d'un équipement multi-standards selon différents niveaux de granularité, accompagnée d'un problème d'optimisation. C'est cette dernière approche qui a constitué le sujet de base de cette thèse. Ainsi, une fonction de coût doit être optimisée afin de sélectionner les opérateurs communs entre les différentes normes, ce qui permet de proposer une configuration optimale à partir de laquelle sont déduits les opérateurs communs. Dans notre travail, nous avons dans un premier temps modélisé théoriquement la structure graphique d'un système multi-standards par un hypergraphe orienté. En outre, nous avons fourni une expression mathématique alternative de la fonction de coût suggérée, en utilisant des définitions propres à la théorie des graphes. Ensuite, nous avons montré que le problème d'optimisation associé était un problème NP sous une certaine contrainte, ce qui a entraîné une preuve d'exclusion de certaines configurations dont les coûts ne peuvent être minimaux. Ceci a constitué la deuxième contribution de cette thèse. Enfin, nous avons proposé un nouvel algorithme permettant de résoudre le problème d'optimisation donné, et dont l'intérêt est de donner une solution optimale du problème au lieu d'une solution approchée fournie par les méthodes heuristiques classiques. Un programme associé à cet algorithme a été développé en langage C, puis appliqué à plusieurs exemples de cas génériques afin d'en étudier les performances.

Le schéma de modulation OFDM est très répandu de nos jours (WiFi, WiMAX, \dots) et préconisé comme couche physique pour de nombreux réseaux futurs (3GPP/LTE, IEEE 802.22). Ainsi cette coexistence de réseaux OFDM fait que l'environnement radio est de nos jours hétérogène. Afin de tirer partie de cette hétérogénéité et de satisfaire le concept de ''\textit{Always Best connected}'', il a été imaginé des terminaux multistandards capables de basculer de manière transparente d'un réseau à un autre à la recherche du réseau offrant la qualité de service la plus satisfaisante. Ce processus de basculement entre standards est appelé ''\textit{vertical handover}''. Avant de déclencher un \textit{vertical handover} le terminal se doit d'identifier les réseaux actifs qui l'entourent et estimer la qualité de service disponible sur chaque réseau. Ainsi, dans le cadre de cette thèse nous proposons dans un premier temps des algorithmes d'identification de systèmes OFDM. Dans un second temps, nous nous intéressons à la qualité de service disponible sur les réseaux détectés, nous avons ainsi proposé des estimateurs de métriques de qualité de service dédiés à des réseaux basés sur les schémas d'accès multiples OFDMA et CSMA/CA. Certaines de ces métriques ont été validées expérimentalement sur la plate-forme RAMMUS de TELECOM Bretagne. Toutes les techniques proposées dans le cadre de cette thèse, sont des approches passives à faible coût de calcul qui ne nécessitent aucune connexion au point d'accès, permettant ainsi une économie en temps et en énergie.

L’identification par radiofréquence, RFID, est une technologie qui transforme la façon dont les gouvernements identifient leurs citoyens, dont les entreprises tracent leurs produits et surveillent le comportement des consommateurs, et la manière dont les individus s’identifient et effectuent des transactions commerciales et sociales. Les étiquettes, ou « tags » RFID, existent sous plusieurs formes : elles peuvent être aussi petites qu’un grain de riz et aussi épaisse qu’une feuille de papier. Lors d’une lecture par un lecteur RFID, l’objet à qui le tag est assigné, peut être identifié. Contrairement au système de code à barres, la communication entre les tags et lecteurs ne dépend pas d’une ligne directe de visibilité. Les tags RFID peuvent être donc incorporés dans virtuellement tous les biens de consommation. Dans cette thèse, nous explorons le jour où la RFID sera omniprésente (ubiquitous). Nous soutenons qu’au sein de cette ère d’ubiquitous RFID (uRFID) qui s’ouvre à nous, la traçabilité humaine dans les arènes des citoyens et des consommateurs fleurira. Pour assurer une transition en douceur, nous proposons un modèle conceptuel constitué de quatre constructions théoriques pouvant influencer de manière favorable l’usage par le public des environnements uRFID. Ces constructions sont l’intimité/la vie privée (privacy), la sensibilisation (awareness), la maîtrise (control) et la confiance (trust) (ou PACT). Nous postulons que si les opérateurs, les ingénieurs, les gouvernements et les industriels font preuve d’éthique et de sérieux pour intégrer ces constructions au sein des systèmes RFID, alors l’approbation par le public suivra
Radio Frequency Identification, or RFID, is a technology that is transforming the way governments identify citizens, companies track products and monitor the behavior of consumers, and the way individuals carry out identification processes and commercial and social transactions. RFID tags come in a host of form factors : they can be as small as a grain of rice and as flat as a sheet of paper. When read by an RFID interrogator (or reader), the asset to which the tag is assigned can be identified. Unlike barcode systems, the communication process between RFID tags and readers do not require a direct line-of-sight; as a result, RFID tags can be embedded in clothing, signage, identification credentials, and virtually all consumer goods in existence. In this thesis, we speak of environments in which RFID technology will be ubiquitous, akin to the state of the printed barcode today. We argue that in this period of ubiquitous RFID (or uRFID), human monitoring in consumer and citizen arenas will flourish. If not properly integrated, several risks could affect both the end-user and the RFID operator. Herein, we propose a conceptual model consisting of four theoretical constructs that we believe could favorably influence end-users to accept uRFID environments. We refer to these constructs as PACT; that is, privacy, awareness, control and trust. We hold that if RFID operators, system designers, government and industry make a conscious, ethical, and active effort to integrate these constructs in RFID systems, public acceptance will follow

A l'époque de l'Internet des Objets, le nombre de dispositifs communicants ne cesse d'augmenter. Souvent, les objets connectés utilisent des bandes de fréquences « industriel, scientifique et médical (ISM) » pour effectuer les communications. Ces bandes sont disponibles sans licence, ce qui facilite le déploiement de nouveaux objets connectés. Cependant, cela mène aussi au fait que le niveau d'interférences augmente dans les bandes ISM. Les interférences ont non seulement un impact négatif sur la qualité de service, mais aussi elles causent des pertes de messages couteuses en énergie, ce qui est particulièrement nocif pour les nœuds capteurs souvent limités en énergie. Dans cette thèse, l'impact des interférences sur la consommation énergétique des nœuds est étudié expérimentalement. Les résultats de ces expérimentations sont utilisés pour estimer la durée de vie des nœuds en fonction de différents niveaux d’interférence subis. Puis, un algorithme de Radio Cognitive (RC) basé sur la technique d’ échantillonnage de Thompson est proposé et évalué par la simulation et implémentation. Les résultats montrent que l'approche proposée trouve le meilleur canal plus vite que les autres techniques. De plus, une extension multi sauts pour RC est proposée et évaluée par expérimentation lors d'une compétition EWSN Dependability Competition. Finalement, le protocole adaptatif WildMAC est proposé pour le cas d'usage du projet LIRIMA PREDNET qui consiste à surveiller des animaux sauvages. Les performances sont évaluées par simulation avec le simulateur WSNet. Les résultats montrent que la solution proposée respecte les contraintes imposées par le projet PREDNET dans la zone ciblée
In the era of the Internet of Things, the number of connected devices is growing dramatically. Often, connected objects use Industrial, Scientific and Medical radio bands for communication. These kinds of bands are available without license, which facilitates development and implementation of new connected objects. However, it also leads to an increased level of interference in these bands. Interference not only negatively affects the Quality of Service, but also causes energy losses, which is especially unfavorable for the energy constrained Wireless Sensor Networks (WSN). In the present thesis the impact of the interference on the energy consumption of the WSN nodes is studied experimentally. The experimental results were used to estimate the lifetime of WSN nodes under conditions of different levels of interference. Then, a Thompson sampling based Cognitive Radio (CR) adaptive solution is proposed and evaluated via both, simulation and hardware implementation. Results show that this approach finds the best channel quicker than other state of the art solutions. An extension for multihop WSN was proposed for this CR solution and evaluated by hardware implementation in the framework of EWSN Dependability Competition. Finally, an adaptive WildMAC MAC layer protocol is proposed for the usecase of the LIRIMA PREDNET wildlife animal tracking project. Obtained field range test data were used to theoretically estimate cell densities and deployment zone coverage in this Low Power Widea Area Network (LPWAN). Then performance of the protocol was evaluated in WSNet simulation. The results show performance that allows to respect PREDNET project requirements with the given coverage

L'objectif de ce travail est de répondre à la question de détection des bandes de fréquences libres. Le cadre d'étude est l'accès opportuniste au spectre radio.
Deux méthodes de détection sont envisageables. La détection d'énergie est une méthode simple, de complexité de calcul réduite et n'exigeant aucune information sur le signal à détecter, mais elle nécessite une connaissance exacte de la variance du bruit supposé blanc gaussien. La détection cyclostationnaire est plus robuste vis-à-vis des incertitudes d'estimation de la variance du bruit et capable de détecter des signaux à faibles RSB. Nous avons proposé deux algorithmes de détection cyclostationnaire. Dans le premier, la fréquence cyclique dans le signal est supposée connue, alors que dans le deuxième la cyclostationarité est détecté de manière aveugle. Cependant, pour minimiser le temps de détection des bandes libres, nous proposons une architecture hybride de détection combinant les détections d'énergie et cyclostationnaire.

In the thesis, we address the fundamental problem of opportunistic spectrum access in a multi-channel communication system. Specifically, we consider a communication system in which a user has access to multiple channels, but is limited to sensing and transmitting only on one at a given time. We explore how the smart user should exploit past observations and the knowledge of the stochastic properties of these channels to maximize its transmission rate by switching channels opportunistically. Formally, we provide a generic analysis on the opportunistic spectrum access problem by casting the problem into the restless multi-armed bandit (RMAB) problem, one of the most well-known generalizations of the classic multi-armed bandit (MAB) problem, which is of fundamental importance in stochastic decision theory. Despite the significant research efforts in the field, the RMAB problem in its generic form still remains open. Until today, very little result is reported on the structure of the optimal policy. Obtaining the optimal policy for a general RMAB problem is often intractable due to the exponential computation complexity. Hence, a natural alternative is to seek a simple myopic policy maximizing the short-term reward. Therefore, we develop three axioms characterizing a family of functions which we refer to as regular functions, which are generic and practically important. We then establish the optimality of the myopic policy when the reward function can be expressed as a regular function and the discount factor is bounded by a closed-form threshold determined by the reward function. We also illustrate how the derived results, generic in nature, are applied to analyze a class of RMAB problems arising from multi-channel opportunistic access. Next, we further investigate the more challenging problem where the user has to decide the number of channels to sense in each slot in order to maximize its utility (e.g., throughput). After showing the exponential complexity of the problem, we develop a heuristic v-step look-ahead strategy. In the developed strategy, the parameter v allows to achieve a desired tradeoff between social efficiency and computation complexity. We demonstrate the benefits of the proposed strategy via numerical experiments on several typical settings.

L'objectif de notre thèse est de contribuer à la conception de situations informatiques diffuses efficaces énergétiquement et appropriables par les habitants au quotidien. Pour cela, à partir d'une approche centrée sur l'activité, nous caractérisons les contextes d'activité quotidienne, ce qui permet d'élaborer nos principes de conception et des scénarios. Cette recherche est menée en référence au cadre du " cours d'action " (Theureau, 2004) ainsi qu'à une approche critique et située (e.g., Barad, 2007; Suchman, 2007) de l'agentivité physique sous-tendant l'action collective, via la notion de " cours d'agencement ". Les spécificités de l'informatique diffuse (e.g., en réseau disséminé dans l'environnement) et des situations domestiques investiguées (e.g., plusieurs pièces et étages) nous amènent à créer une méthodologie pour l'analyse formelle du collectif et les scénarios : le format " multi-portées ". Sur ces bases, nous caractérisons les contextes d'activité de plusieurs familles vivant dans des maisons à forte consommation énergétique. Nos résultats mettent en évidence les préoccupations des habitants, les jeux de suspension/actualisation à travers le temps, ou de préoccupations multiples à l'instant " t " et les anticipations qui les structurent. Nous caractérisons également des contextes d'articulations collectives, montrant que les membres de la famille sont engagés dans des préoccupations à la fois similaires et différentes, oscillant entre convergence et divergence à différentes échelles de temps. Enfin, nous comparons 85 agencements du collectif dans l'habitat et les types d' " (im)possibilités " perceptives et pratiques qui en émergent entre humains, objets et espaces physiques. Ces résultats permettent d'alimenter notre modèle de conception de situations informatiques diffuses appropriables et efficaces énergétiquement. Après avoir présenté les orientations et principes de conception généraux, nous construisons des scénarios collectifs d'" interactions incidentes/intentionnelles " (Dix, 2002) entre humains et réseaux, puis nous définissons comment le futur système devra fonctionner afin d'être appropriable et efficace énergétiquement. Ce travail montre qu'il est possible et nécessaire de concevoir l'efficience énergétique des réseaux socio-techniques tout en donnant des possibilités d'action et d'appropriation à l'humain.