Search

The wireless sensor networks that we work with in this thesis are a set of devices connected to each other by low-rate and low-power technologies. Their role is to produce measures on the physical environment around them (meteorological and climate condition tracking, monitoring of industrial installations, control of distribution grids, topographical surveillance…). These measures must then be collected out of the network. Since the sensors have short range radios, transmissions are multi-hop, the sensors close to the destination relaying the information transmitted by those which are further away from it. Because of the movement of the nodes themselves or of objects in their environment interfering with wireless communications, the exact topology of the network is subject to change. In addition, the battery-powered sensors are limited in energy and therefore in transmission abilities. The power-saving techniques applied to turn off the radio most of the time impose synchronization constraints.To route information through the network, the routing protocol establishes routes, so that the sensors can relay information from and to the network border router through reliable links leading to the destination through short paths. Due to sensor limitations, the routing must be energy efficient, i.e.\ the overload of the radio transmissions involved by the routing algorithm itself must be as lightweight as possible. It must also be able to restore connectivity on a network topology change without creating routing loops that negatively impact the quality of service and the energy reserves of the nodes.This document describes a routing protocol that meets these objectives. It is capable of creating a self-healing collection tree that extracts information out of the network, as well as from the routes to distribute command messages or acknowledgment to the nodes. It also validates the data path of each packet to ensure that they never enter a routing loop. The protocol is run in simulations and also on real platform experiments, showing the effectiveness of the proposed mechanisms.In order to improve its ability to choose the best available links, I also propose the use of a new estimation of their quality. It is based on two complementary measurements: a long-term measurement of the ambient noise level on the radio channel, and a measurement of the power of the signal received from the transmitter. These two measurements provide an estimate of the signal-to-noise ratio, and thereby the expected reception rate. This estimate is both accurate, quick to obtain, and adapted to the constraints of sensors and networks we are talking about.; Les réseaux de capteurs sans fil qui nous occupent dans cette thèse sont un ensemble d'appareils connectés les uns aux autres par des technologies bas débit et faible consommation. Leur rôle est de prendre des mesures sur l'environnement physique qui les entoure (suivis météoclimatiques, contrôles d'installations industrielles, relevés de l'état des réseaux de distributions, surveillance topographique…). Ces mesures doivent ensuite être collectées vers l'extérieur du réseau. Comme les capteurs ont une courte portée de communication radio, les transmissions sont faites en multisaut, les capteurs proches de la destination relayant l'information émise par ceux qui en sont plus éloignés. À cause du mouvement des nœuds eux-mêmes ou d'objets dans leur environnement perturbant les communications sans fil, la topologie exacte du réseau est sujette à des changements. De plus, les capteurs eux-mêmes, alimentés par batterie pour la plupart, sont limités en énergie et par là en capacité de transmission. Les techniques d'économie d'énergie appliquées pour éteindre la radio la plupart du temps imposent alors des contraintes de synchronisation supplémentaires.Pour acheminer l'information dans le réseau, le protocole de routage établit des routes, de façon à ce que les capteurs puissent relayer l'information depuis et jusqu'au routeur de bordure du réseau à travers des liens fiables et conduisant jusqu'à la destination à travers des chemins courts. À cause des limitations des capteurs, le protocole de routage doit être efficace en énergie, c'est-à-dire que la surcharge des transmissions radio impliquées par le protocole de routage lui-même doit être aussi légère que possible. Il doit aussi être capable de rétablir la connectivité en cas de changement dans la topologie du réseau, et ce sans créer de boucles de routage pénalisant tant la qualité de service que les réserves d'énergie des nœuds.Ce document décrit un protocole de routage répondant à ces objectifs. Il est capable de créer un arbre de collecte autoréparant permettant d'extraire l'information hors du réseau, ainsi que des routes pour distribuer des commandes ou des accusés de réception aux nœuds. Il valide aussi le chemin emprunté par chaque paquet transmis afin de garantir qu'ils n'entrent jamais dans une boucle de routage. Le protocole est mis en situation dans des simulations et aussi des expérimentations en plateforme réelle, montrant l'efficacité des mécanismes proposés.Afin d'améliorer sa capacité à choisir les meilleurs liens disponibles, je propose également l'utilisation d'une nouvelle estimation de leur qualité. Elle est basée sur deux mesures complémentaires : une mesure à long terme du niveau de bruit ambiant présent sur le canal radio, et une mesure ponctuelle de la puissance du signal reçu de l'émetteur. Ces deux mesures fournissent une estimation du rapport signal à bruit, et par là du taux de réception attendu. Cette estimation est à la fois précise, rapide à obtenir, et adaptée aux contraintes des capteurs et des réseaux desquels nous parlons.

The wireless sensor networks that we work with in this thesis are a set of devices connected to eachother by low-rate and low-power technologies. Their role is to produce measures on the physical environ-ment around them (meteorological and climate condition tracking, monitoring of industrial installations,control of distribution grids, topographical surveillance. . . ). These measures must then be collected out ofthe network. Since the sensors have short range radios, transmissions are multi-hop, the sensors close tothe destination relaying the information transmitted by those which are further away from it. Because ofthe movement of the nodes themselves or of objects in their environment interfering with wireless commu-nications, the exact topology of the network is subject to change. In addition, the battery-powered sensorsare limited in energy and therefore in transmission abilities. The power-saving techniques applied to turnoff the radio most of the time impose synchronization constraints.To route information through the network, the routing protocol establishes routes, so that the sensorscan relay information from and to the network border router through reliable links leading to the destina-tion through short paths. Due to sensor limitations, the routing must be energy efficient, i.e. the overloadof the radio transmissions involved by the routing algorithm itself must be as lightweight as possible. Itmust also be able to restore connectivity on a network topology change without creating routing loops thatnegatively impact the quality of service and the energy reserves of the nodes.This document describes a routing protocol that meets these objectives. It is capable of creating a self-healing collection tree that extracts information out of the network, as well as from the routes to distributecommand messages or acknowledgment to the nodes. It also validates the data path of each packet toensure that they never enter a routing loop. The protocol is run in simulations and also on real platformexperiments, showing the effectiveness of the proposed mechanisms.In order to improve its ability to choose the best available links, I also propose the use of a new esti-mation of their quality. It is based on two complementary measurements: a long-term measurement ofthe ambient noise level on the radio channel, and a measurement of the power of the signal received fromthe transmitter. These two measurements provide an estimate of the signal-to-noise ratio, and thereby theexpected reception rate. This estimate is both accurate, quick to obtain, and adapted to the constraints ofsensors and networks we are talking about.; Les réseaux de capteurs sans fil qui nous occupent dans cette thèse sont un ensemble d’appareils connectés les uns aux autres par des technologies bas débit et faible consommation. Leur rôle est de prendre des mesures sur l’environnement physique qui les entoure (suivis météoclimatiques, contrôles d’installationsindustrielles, relevés de l’état des réseaux de distributions, surveillance topographique. . . ). Ces mesuresdoivent ensuite être collectées vers l’extérieur du réseau. Comme les capteurs ont une courte portée decommunication radio, les transmissions sont faites en multisaut, les capteurs proches de la destinationrelayant l’information émise par ceux qui en sont plus éloignés. À cause du mouvement des nœuds eux-mêmes ou d’objets dans leur environnement perturbant les communications sans fil, la topologie exactedu réseau est sujette à des changements. De plus, les capteurs eux-mêmes, alimentés par batterie pour laplupart, sont limités en énergie et par là en capacité de transmission. Les techniques d’économie d’énergieappliquées pour éteindre la radio la plupart du temps imposent alors des contraintes de synchronisationsupplémentaires.Pour acheminer l’information dans le réseau, le protocole de routage établit des routes, de façon à ceque les capteurs puissent relayer l’information depuis et jusqu’au routeur de bordure du réseau à traversdes liens fiables et conduisant jusqu’à la destination à travers des chemins courts. À cause des limitationsdes capteurs, le protocole de routage doit être efficace en énergie, c’est-à-dire que la surcharge des trans-missions radio impliquées par le protocole de routage lui-même doit être aussi légère que possible. Il doitaussi être capable de rétablir la connectivité en cas de changement dans la topologie du réseau, et ce sanscréer de boucles de routage pénalisant tant la qualité de service que les réserves d’énergie des nœuds.Ce document décrit un protocole de routage répondant à ces objectifs. Il est capable de créer un arbrede collecte autoréparant permettant d’extraire l’information hors du réseau, ainsi que des routes pour dis-tribuer des commandes ou des accusés de réception aux nœuds. Il valide aussi le chemin emprunté parchaque paquet transmis afin de garantir qu’ils n’entrent jamais dans une boucle de routage. Le protocoleest mis en situation dans des simulations et aussi des expérimentations en plateforme réelle, montrant l’ef-ficacité des mécanismes proposés.Afin d’améliorer sa capacité à choisir les meilleurs liens disponibles, je propose également l’utilisationd’une nouvelle estimation de leur qualité. Elle est basée sur deux mesures complémentaires : une mesure àlong terme du niveau de bruit ambiant présent sur le canal radio, et une mesure ponctuelle de la puissancedu signal reçu de l’émetteur. Ces deux mesures fournissent une estimation du rapport signal à bruit, etpar là du taux de réception attendu. Cette estimation est à la fois précise, rapide à obtenir, et adaptée auxcontraintes des capteurs et des réseaux desquels nous parlons.

Privacy notion is frequently linked with cyber attack examples by media and scientific researches. In 2012, the hacking of 12 millions Apple user identifiers demonstrates that connected objects represent leaks exploited by hackers to access to user personal data. In this thesis, we will extend the privacy notion to the objects. To do this, we will show that in wireless sensor networks where communications are carried out from machine-to-machine, the knowledge of the static addresses of the devices within the network discloses information allowing deduction about elements of context and environment.Nowadays, the wireless communication standards provide security mechanisms whatever the communication protocols used including the low power ones designed to run on constrained environment. However, the frame header that comprises necessary information for routing and for the proper functioning of the network is always sent in clear text. Collecting and gathering these metadata by eavesdropping is dangerous for the environments and applications based on these networks.The work carried out in this thesis aims to explore how simple passive attacks on meshed networks based on IEEE 802.15.4 used to collect and exploit metadata allow to infer critical information about the network, the environment where the network is deployed and the behavior of users. Two kinds of solutions to hide the node addresses are studied. The first one provides anonymity for the devices. In the second kind of solutions, pseudonyms are used by nodes enabling the capability to audit the traffic within the network.To evaluate the characteristics and the performances of the solutions, a simulator has been used to reproduce the behavior of a meshed wireless sensor network embedding Contiki OS. This simulator allows to compare the performances of MT6D the most promising solution of our state of the art with that of a reference network do not mask the metadata. With this analyze, we can highlight some drawbacks and more especially the control frames overhead needed for the routing. We give the necessary specifications to deploy the most optimal solution for the embedded devices.Thus we propose Ephemeral that allows hiding device addresses provided in the sent frames by using pseudonyms without overhead on the control frames. After deployment in the simulation environment to evaluate expected theoretical performances, Ephemeral has been tested in real environment. The network is made up of twenty IEEE 802.15.4 sensor nodes deployed on a building. The results show that Ephemeral is an efficient low power and bandwidth-saving solution to hide device identifiers used in wireless communications.; Les médias et de nombreuses études scientifiques évoquent fréquemment la notion de vie privée en lien avec des exemples de cyber attaques. Le vol par des hackers de 12 millions d’identifiants d’utilisateurs Apple en 2012 illustre que les objets communicants sont des maillons vulnérables exploités par les hackers pour accéder aux données personnelles des usagers. Dans cette thèse, nous allons étendre la notion de vie privée aux objets eux-mêmes, au-delà des utilisateurs, en montrant que dans des réseaux de capteurs sans fil où les communications ont lieu de machine à machine, la connaissance des adresses fixes des différents appareils constituant le réseau représente une source d’information permettant de déduire beaucoup d’éléments de contexte et d’environnement.Actuellement, tous les standards de communication sans fil intègrent la capacité de sécuriser les données transportées, y compris les protocoles de communication dédiés aux réseaux de capteurs, conçus pour fonctionner en milieu contraint et à basse consommation. Cependant, l’en-tête des trames envoyées sur l’air comportant les informations nécessaires au routage et au bon fonctionnement du réseau, figure toujours en texte clair. La collecte de ces métadonnées par écoute passive représente un danger pour les environnements et les applications qui font usage de ces réseaux.Le travail mené dans cette thèse a pour objectif d’explorer comment de simples attaques passives sur des réseaux meshés basés sur le standard IEEE 802.15.4, visant à collecter et exploiter les métadonnées de ces trames échangées sur l’air, permettent d’inférer des informations critiques sur le réseau lui-même, l’environnement dans lequel il est déployé et les comportements des personnes qui en font usage. Plusieurs solutions visant à dissimuler les adresses des nœuds du réseau sont ensuite étudiées. Ces solutions sont de deux types : soit elles rendent anonymes les dispositifs empêchant de remonter à la source des messages, soit elles reposent sur l’utilisation de pseudonymes permettant de conserver la possibilité d’auditer le trafic.Afin d’évaluer les caractéristiques et les performances de ces solutions, un simulateur a été mis en œuvre afin de reproduire le comportement d’un réseau de capteurs meshés embarquant l’OS Contiki. Ce simulateur a permis d’évaluer la solution la plus prometteuse issue de l’état de l’art, nommée MT6D, en comparant ses performances avec un réseau de référence ne dissimulant pas les métadonnées. Cette analyse a fait ressortir certains inconvénients, en particulier l’augmentation importante des trames de contrôle nécessaires au routage, et a permis d’élaborer les spécifications d’une solution plus optimale pour l’embarqué.Nous avons ainsi introduit Ephemeral, qui présente la capacité de dissimuler les adresses des dispositifs dans les messages envoyés sur l’air, par l’usage de pseudonymes, sans augmenter la quantité de trames de contrôle indispensables au routage. Une fois mis en œuvre avec le simulateur afin de valider les performances théoriques attendues, Ephemeral est déployé en environnement réel sur un réseau de capteurs IEEE 802.15.4 équipant un bâtiment. Ce retour d’expérimentation permet de confirmer qu’Ephemeral constitue une solution économe du point de vue de la consommation d’énergie et de la bande passante du réseau, pour masquer les identifiants des dispositifs impliqués dans les communications.

The current demand on ubiquitous connectivity imposes stringent requirements on the fabrication of Radio-Frequency (RF) circuits. Designs are consequently transferred to the most advanced CMOS technologies that were initially introduced to improve digital performance. In addition, as technology scales down, RF circuits are more and more susceptible to a lot of variations during their lifetime, as manufacturing process variability, temperature, environmental conditions, aging… As a result, the usual worst-case circuit design is leading to sub-optimal conditions, in terms of power and/or performance most of the time for the circuit. In order to counteract these variations, increasing the performances and also reduce power consumption, adaptation strategies must be put in place.More importantly, the fabrication process introduces more and more performance variability, which can have a dramatic impact on the fabrication yield. That is why RF designs are not easily fabricated in the most advanced CMOS technologies, as 32nm or 22nm nodes for instance. In this context, the performances of RF circuits need to be calibrated after fabrication so as to take these variations into account and recover yield loss.This thesis work is presenting on a post-fabrication calibration technique for RF circuits. This technique is performed during production testing with minimum extra cost, which is critical since the cost of test can be comparable to the cost of fabrication concerning RF circuits and cannot be further raised. Calibration is enabled by equipping the circuit with tuning knobs and sensors. Optimal tuning knob identification is achieved in one-shot based on a single test step that involves measuring the sensor outputs once. For this purpose, we rely on variation-aware sensors which provide measurements that remain invariant under tuning knob changes. As an auxiliary benefit, the variation-aware sensors are non-intrusive and totally transparent to the circuit.Our proposed methodology has first been demonstrated with simulation data with an RF power amplifier as a case study. Afterwards, a silicon demonstrator has then been fabricated in a 65nm technology in order to fully demonstrate the methodology. The fabricated dataset of circuits is extracted from typical and corner wafers. This feature is very important since corner circuits are the worst design cases and therefore the most difficult to calibrate. In our case, corner circuits represent more than the two third of the overall dataset and the calibration can still be proven. In details, fabrication yield based on 3 sigma performance specifications is increased from 21% to 93%. This is a major performance of the technique, knowing that worst case circuits are very rare in industrial fabrication., La demande courante de connectivité instantanée impose un cahier des charges très strict sur la fabrication des circuits Radio-Fréquences (RF). Les circuits doivent donc être transférées vers les technologies les plus avancées, initialement introduites pour augmenter les performances des circuits purement numériques. De plus, les circuits RF sont soumis à de plus en plus de variations et cette sensibilité s’accroît avec l’avancées des technologies. Ces variations sont par exemple les variations du procédé de fabrication, la température, l’environnement, le vieillissement… Par conséquent, la méthode classique de conception de circuits “pire-cas” conduit à une utilisation non-optimale du circuit dans la vaste majorité des conditions, en termes de performances et/ou de consommation. Ces variations doivent donc être compensées, en utilisant des techniques d’adaptation.De manière plus importante encore, le procédé de fabrication des circuits introduit de plus en plus de variabilité dans les performances des circuits, ce qui a un impact important sur le rendement de fabrication des circuits. Pour cette raison, les circuits RF sont difficilement fabriqués dans les technologies CMOS les plus avancées comme les nœuds 32nm ou 22nm. Dans ce contexte, les performances des circuits RF doivent êtres calibrées après fabrication pour prendre en compte ces variations et retrouver un haut rendement de fabrication.Ce travail de these présente une méthode de calibration post-fabrication pour les circuits RF. Cette méthodologie est appliquée pendant le test de production en ajoutant un minimum de coût, ce qui est un point essentiel car le coût du test est aujourd’hui déjà comparable au coût de fabrication d’un circuit RF et ne peut être augmenté d’avantage. Par ailleurs, la puissance consommée est aussi prise en compte pour que l’impact de la calibration sur la consommation soit minimisé. La calibration est rendue possible en équipant le circuit avec des nœuds de réglages et des capteurs. L’identification de la valeur de réglage optimale du circuit est obtenue en un seul coup, en testant les performances RF une seule et unique fois. Cela est possible grâce à l’utilisation de capteurs de variations du procédé de fabrication qui sont invariants par rapport aux changements des nœuds de réglage. Un autre benefice de l’utilisation de ces capteurs de variation sont non-intrusifs et donc totalement transparents pour le circuit sous test. La technique de calibration a été démontrée sur un amplificateur de puissance RF utilisé comme cas d’étude. Une première preuve de concept est développée en utilisant des résultats de simulation.Un démonstrateur en silicium a ensuite été fabriqué en technologie 65nm pour entièrement démontrer le concept de calibration. L’ensemble des puces fabriquées a été extrait de trois types de wafer différents, avec des transistors aux performances lentes, typiques et rapides. Cette caractéristique est très importante car elle nous permet de considérer des cas de procédé de fabrication extrêmes qui sont les plus difficiles à calibrer. Dans notre cas, ces circuits représentent plus des deux tiers des puces à disposition et nous pouvons quand même prouver notre concept de calibration. Dans le détails, le rendement de fabrication passe de 21% avant calibration à plus de 93% après avoir appliqué notre méthodologie. Cela constitue une performance majeure de notre méthodologie car les circuits extrêmes sont très rares dans une fabrication industrielle.

This thesis work takes part in the connected objects theme, also known as the Internet of Things (IoT). It emerges from the Internet democratization since the early 2000's and the shift to highly mobile devices, made possible by the miniaturization of embedded systems. In this context, the energy efficiency is mandatory since today's projections are around tens of billions of connected devices in 2020. However for ease of deployment and usage, a large part of the data transfers in these networks is wireless, which implementation represents a significant part of the power consumption. Indeed, the energy efficiency question is addressed in general as a fine tuning of hardware architectures, which is often associated with a favorable technology evolution. Nevertheless, this design paradigm quickly reached its limits since it necessary implies a highly constrained sizing to be compatible with the worst operating conditions, even if they are not effective most of the time. It's typically the case with wireless communications since the radio channel is a medium characterized by a strong variability due to propagations effects and interferences. Thus, our study focused on the design of a communication chain whose link budget can be dynamically tuned depending on the actual signal attenuation, in order to reduce the system power consumption. The thesis has contributed to the design of a self-adaptive receiver dedicated to IEEE 802.15.4 standard, by proposing both a reconfigurable digital baseband architecture and an automatic control method of the operating mode. More precisely, the work relied on two approaches, the compressive sampling and the partial sampling, to reduce the data's size to process, decreasing the internal activity of arithmetics operators. In return, the demodulation processing needs a higher SNR, degrading in the same time the receiver sensitivity and thus the link budget. This solution, implemented in an STMicroelectronics CMOS 65 nm LP process, offers a low hardware overhead compared to conventional architecture with only 23,4 kgates. Thanks to the circuit physical model that has been developed, the power consumption for a packet demodulation is estimated to 278 uW when the baseband is fully activated. It can however be gradually decreased down to 119 uW, corresponding to a sensitivity reduction of 10 dB. Thus, the proposed digital baseband and its control loop save 30 % of energy in average in a typical use case., Ces travaux de thèse s'inscrivent dans la thématique des objets connectés, désormais connue sous le nom de Internet of Things (IoT). Elle trouve son origine dans la démocratisation d'Internet depuis le début des années 2000 et la migration vers des appareils hautement mobiles, rendue possible grâce à la miniaturisation des systèmes embarqués. Dans ce contexte, l'efficacité énergétique est primordiale puisque les projections actuelles parlent de dizaines de milliards de composants connectés à l'horizon 2020. Or pour une question de facilité de déploiement et d'usage, une grande partie des échanges de données dans ces réseaux s'effectue via une liaison sans-fil dont l'implémentation représente une part importante de la consommation. Effectivement, la question de l'efficacité énergétique est en général considérée comme un problème de perfectionnement des architectures matérielles, souvent associé à une évolution favorable de la technologie. Toutefois, ce paradigme atteint rapidement ses limites puisqu'il implique nécessairement un dimensionnement fortement contraint pour être compatible avec les pires conditions d'utilisation, même si elles ne sont pas effectives la plupart du temps. C'est typiquement le cas avec les communications sans-fil puisque le canal radio est un milieu caractérisé par une forte variabilité en raison des phénomènes de propagation et de la présence d'interférences. Notre étude a donc porté sur la conception d'une chaîne de transmission dont le budget de liaison peut être dynamiquement modifié en fonction de l'atténuation réelle du signal, afin de réduire la consommation du système. La thèse a notamment contribué à la mise au point d'un récepteur auto-adaptatif spécifique à la norme IEEE 802.15.4, en proposant à la fois une architecture de modem numérique reconfigurable et à la fois une méthode de contrôle automatique du point de fonctionnement. Plus précisément, le travail s'est appuyé sur deux approches, l'échantillonnage compressif et l'échantillonnage partiel, pour réduire la taille des données à traiter, diminuant ainsi l'activité interne des opérateurs arithmétiques. En contrepartie, le processus de démodulation nécessite un SNR supérieur, dégradant la sensibilité du récepteur et donc le budget de liaison. Cette solution, portée sur une technologie STMicroelectronics CMOS 65 nm LP, offre une faible empreinte matérielle vis-à-vis d'une architecture classique avec seulement 23,4 kcellules. Grâce au modèle physique du circuit qui a été développé, la consommation pour la démodulation d'un paquet est estimée à 278 uW lorsque le modem est intégralement utilisé. Elle peut toutefois être abaissée progressivement jusqu'à 119 uW, correspondant à une baisse de la sensibilité de 10 dB. Ainsi, le modem implémenté et sa boucle de contrôle permettent d'économiser en moyenne 30 % d'énergie dans un cas d'utilisation typique.

The aging population has emerged as a major societal issue. Generally, the activity measurement is used as an indicator of the elderly health. The objective of this work is to develop a medical instrumentation to monitor person's activity at home. These technical solutions combine: wearable and ambient sensors, processing software, and user interfaces. This work is associated with two clinical applications: Monitoring of dependent people in a care unit with a wearable electronic patch and monitoring of frail older people at home with a smart shoe insole. The development of technical solutions is realized in several stages: engineering design, characterization and testing in conditions of uses. The results of these experiments include recommendations in terms of uses and improvements of the technical solution.; Les solutions techniques permettant de répondre à la problématique du vieillissement sont aujourd’hui une nécessité. La mesure de l’activité motrice est un indicateur pour le praticien de l’état de santé de la personne âgée. L’objectif de ce travail est de développer une instrumentation médicale pour mettre en place un suivi de l’activité à domicile. Ces solutions techniques associent : des capteurs portés et ambiants, des logiciels de traitement, et des interfaces utilisateurs. Ces travaux sont associés à deux applications cliniques : Le suivi de personnes dépendantes en institution à l’aide d’un patch électronique porté et le suivi de personnes fragiles à domicile à l’aide d’une semelle intelligente. Le développement des solutions techniques est réalisé en plusieurs étapes : conception technique, caractérisation en laboratoire, et essais en conditions d’usages. Les résultats de ces expérimentations ont permis de proposer des recommandations en termes d’usages des solutions techniques.

Wireless communications have known an amazing expansion since the nineties. Transmission techniques, supported by technological breakthroughs, have significantly improved to cope with the increase of both data rate and traffic. For instance, the turbo principle has enabled to design quasi-optimal, robust and low-complexity receivers, whereas multiple input multiple (MIMO) systems imposed themselves as one solution to spectral efficiency enhancement given a fixed transmission power. Today, the main limitation to the increase of traffic and user number remains the interference. The traffic is expected to be a thousand times higher than today, mainly due to the connected machine number explosion (machine to machine communications). Without anticipation of interference management mechanisms, promised won't be held. My research integrates this context and divides into three main axes: space-time coding, interference management and cooperation in sensors networks. Usual designs of space-time codes do not take into account the forward error correction (FEC) code and assumes optimum detection. In practice, a FEC is inserted in the transmission system and depending on the space-time, the maximum likelihood detection is too complex. We have developed generic methods to build maximum-diversity space-time codes whose definition takes into account the inner FEC. We also designed full-rate and maximum diversity linear dispersion codes optimized by taking into account outer FEC and turboequalizer constraints. Given a selective frequency channel, inter symbol interference can be dealt with at the transmitter adopting OFDM or at the receiver by using a suitable detection. MIMO systems suffer from an additional inter antenna interference. Compared to single carrier used with time-domain equalization, OFDM has the advantage of a lower-complexity at the price of lower diversity. Frequency-domain equalization makes single carrier competitive compared to the equivalent OFDM scheme. We studied the space-time codes extension to frequency selective channels by imposing single-carrier waveform and frequency-domain equalization. The complexity of optimum detection of the concatenation of the space-time codes with an outer FEC makes it infeasible in practice. We thus proposed different frequency-domain turboequalizer structures for OFDM-coded or single-carrier MIMO systems whose complexity makes them compatible with an implementation. Recent studies proved that the capacity of interference channels linearly increases with the number of users. Interferenc alignment enables to achieves the optimum limit. We proposed optimized interference alignment schemes which increase the maximum data rate that can be achieved in the range of practical SNR values. We then focused on reception in interference channels for different scenarii. The first detection applied in the context of uplink transmission assuming base station cooperation is based on the exploitation of the sparse nature of signals. It can be used in the case when the user number is higher than the base station antenna number. Original interference alignment scheme assume perfect knowledge of the whole channel everywhere which is infeasible in the downlink case at the user side. We thus proposed a second detection suitable for this context and based on blind source separation techniques.As for sensor networks, we considered the case of metering from a high number of wireless sensors with the help of a relay, which involves reliable and short transmissions. We proposed a cooperation scheme based on a distributed product code between sources and the relay. We theoretically established the amount of redundancy required and added by the relay. We also computed a theoretical upper bound of the bit error probability of a minimum-distance optimized receiver which takes into account the errors in the relay. We deduce that the source-relay transmission link quality is the bottleneck of the cooperation scheme, which proves useful when the source-to-relay channel conditions are satisfactory and when the source-to-destination link quality is too poor to ensure reliable transmission. My perspectives immediately lie in the interference management context by progressively taking into account the constraints of higher layers (MAC). Massive MIMO and cell size reduction (with or without heterogeneous networks) are other perspectives. In the long term, I will investigate machine-to-machines communications.; Les communications radio-mobiles ont connu un essor sans précédent depuis les années 1990. Les techniques de transmission, appuyées par les progrès technologiques, se sont significativement améliorées pour faire face à la double croissance du débit et du trafic. Par exemple, le principe turbo a permis d'obtenir des récepteurs quasi-optimaux, robustes, et de complexité raisonnable, tandis que les systèmes multi-antennes (MIMO) se sont imposés comme solution de croissance des efficacités spectrales pour une puissance d'émission fixe. Aujourd'hui, la principale limitation à l'augmentation du trafic et du nombre d'utilisateurs reste l'interférence. Or, les prévisions pour la décennie à venir annoncent une multiplication par un facteur mille du trafic, principalement due à l'explosion du nombre de machines connectées (communications M2M). Sans anticipation des mécanismes de gestion des interférences, les promesses ne pourront être tenues. Mes travaux de recherche s'insèrent dans ce contexte et se déclinent en trois axes principaux : le codage espace-temps, le traitement des interférences et la coopération dans des réseaux de capteurs. La conception usuelle des codes espace-temps n'intègre pas la contrainte de correction des erreurs de transmission et suppose une détection optimale en réception. En pratique, un code correcteur d'erreur est inséré dans la chaîne de transmission et selon le code espace-temps, une détection à maximum de vraisemblance est trop complexe. Nous avons donc développé un ensemble de méthodes génériques de construction de codes espace-temps correcteurs d'erreur à diversité maximale intégrant un code correcteur d'erreur dans leur définition. Les codes dérivés sont bien adaptés à une concaténation avec un code correcteur d'erreur externe et l'identification d'un code produit équivalent conduit à une structure de réception efficace et de complexité réduite. Nous avons également conçu des codes à dispersion linéaire, de rendement plein et à diversité maximale, optimisés sous les contraintes d'un code correcteur d'erreur externe et d'un turboégaliseur en réception. Les codes obtenus possèdent un meilleur état de convergence optimale du turboégaliseur, une plus petite valeur du rapport signal à bruit minimal, nécessaire à la convergence sur la borne inférieure, ainsi qu'un meilleur rapport entre la puissance crête et la puissance moyenne, comparé aux codes de la littérature. Sur un canal sélectif en fréquence, l'interférence entre symbole peut être traitée à l'émission en adoptant une forme d'onde OFDM ou en réception en utilisant un détecteur adapté. Dans le cas d'un système MIMO, s'ajoute l'interférence entre antennes. La forme d'onde OFDM offre l'avantage d'une complexité de réception moindre comparée à une égalisation temporelle d'une forme d'onde monoporteuse, au détriment de la diversité disponible. L'égalisation dans le domaine fréquentiel rend la solution monoporteuse compétitive vis-à-vis d'une solution OFDM équivalente. Nous avons donc étudié l'adaptation des codes espace-temps aux canaux sélectifs en fréquence, en imposant une forme d'onde monoporteuse et une égalisation dans le domaine fréquentiel. La complexité de la détection optimale de la concaténation du code espace-temps avec un code correcteur d'erreur la rend infaisable en pratique. Une alternative est la turboégalisation. Nous avons proposé différentes structures de turboégalisation fréquentielle pour des schémas MIMO codés OFDM et monoporteuse équivalents. L'analyse théorique de l'état optimal de convergence confirmée par des simulations démontre une diversité supérieure dans le cas monoporteuse, conduisant à une probabilité d'erreur inférieure. Par ailleurs, l'annuleur d'interférence comporte une inversion de matrice, qui contribue en grande partie au coût global de calculs. Pour réduire la complexité, nous avons proposé une structure originale et brevetée, basée sur une approximation optimisée de l'inversion matricielle à partir d'un développement en série. Des travaux récents ont démontré la croissance linéaire asymptotique (rapport signal à bruit infini) des canaux à interférence en fonction du nombre d'utilisateurs. Les schémas d'alignement d'interférence permettent d'atteindre cette limite. Nous nous sommes intéressés à l'optimisation de ces schémas pour augmenter le débit maximal pouvant être atteint dans des gammes de rapport signal à bruit pratiques. Nous avons ensuite considéré la problématique de réception sur un canal à interférence en prenant en compte différents scénarios. L'originalité du premier détecteur, appliqué dans le contexte d'une liaison montante avec coopération des stations de base, repose sur l'exploitation de la parcimonie des signaux. Ce récepteur est adapté au cas où le nombre de terminaux est supérieur au nombre de stations de base et son application n'est pas limitée par les dimensions du système. Le schéma original d'alignement d'interférence suppose la connaissance parfaite de la globalité du canal en toute extrémité. Dans le cas de la liaison descendante, cette hypothèse sera difficilement vérifiée au niveau des terminaux. Nous avons donc conçu un second détecteur, adapté à ce contexte et basé sur des techniques de séparation de source aveugle. Les principaux intérêts de ce système sont d'une part qu'il ne nécessite aucune estimation du canal en réception, limitant ainsi le nombre de données pilote requis, et d'autre part qu'il est robuste à des erreurs d'estimation du canal à l'émission (conception du schéma d'alignement d'interférence). S'agissant des réseaux de capteurs, nous avons considéré le contexte du rapport de données de mesures vers un serveur distant depuis un nombre élevé de capteurs sans fil, à l'aide d'un relais, impliquant la transmission fiable et rapide de blocs courts. Nous avons étudié une solution de coopération basée sur un code produit distribué entre les sources et le relais. La première originalité de nos travaux est l'établissement d'une approximation de la borne supérieure du débit maximal atteignable dans le cas de mots de code de longueur finie et d'une modulation à alphabet discret, fini. Elle nous a permis d'optimiser la quantité de redondance, ajoutée par le relais en fonction des conditions des canaux en présence. La seconde contribution majeure de nos travaux est le calcul d'une borne supérieure de la probabilité d'erreur en sortie d'un décodeur basé sur la minimisation de la distance minimale, prenant en compte la présence d'erreurs dans le relais. Nous avons mesuré la dégradation apportée par les erreurs sur le lien source-relais, qui permet d'établir les plages de rapports signal à bruit (source-relais et source-destination) pour lesquelles l'utilisation du relais apporte un gain et de quantifier ce gain. %Nous en avons déduit que le lien source-relais était le goulot d'étranglement du schéma coopératif et que la coopération était utile en présence de conditions favorables sur le lien source-relais, lorsque la qualité de transmission sur le lien source-destinataire était insuffisante pour garantir l'acheminement fiable des informations. Mes perspectives de recherche se situent dans la continuité de la réflexion amorcée sur la gestion des interférences, en intégrant progressivement l'interaction de la couche physique avec ses couches supérieures (MAC/réseau). J'envisage d'examiner la pertinence du Massive MIMO (nombre d'antennes côté station de base bien supérieur au nombre moyen de terminaux actifs) et/ou de la réduction de la taille des cellules (avec ou sans réseaux hétérogènes) pour répondre à la problématique de croissance des débits et du trafic sous contraintes d'efficacité d'énergie et de sécurisation des données en transit. A plus long terme, je souhaite m'investir dans la recherche d'architectures adaptées aux spécificités des communications M2M.

Wireless communications have known an amazing expansion since the nineties. Transmission techniques, supported by technological breakthroughs, have significantly improved to cope with the increase of both data rate and traffic. For instance, the turbo principle has enabled to design quasi-optimal, robust and low-complexity receivers, whereas multiple input multiple (MIMO) systems imposed themselves as one solution to spectral efficiency enhancement given a fixed transmission power. Today, the main limitation to the increase of traffic and user number remains the interference. The traffic is expected to be a thousand times higher than today, mainly due to the connected machine number explosion (machine to machine communications). Without anticipation of interference management mechanisms, promised won't be held. My research integrates this context and divides into three main axes: space-time coding, interference management and cooperation in sensors networks. Usual designs of space-time codes do not take into account the forward error correction (FEC) code and assumes optimum detection. In practice, a FEC is inserted in the transmission system and depending on the space-time, the maximum likelihood detection is too complex. We have developed generic methods to build maximum-diversity space-time codes whose definition takes into account the inner FEC. We also designed full-rate and maximum diversity linear dispersion codes optimized by taking into account outer FEC and turboequalizer constraints. Given a selective frequency channel, inter symbol interference can be dealt with at the transmitter adopting OFDM or at the receiver by using a suitable detection. MIMO systems suffer from an additional inter antenna interference. Compared to single carrier used with time-domain equalization, OFDM has the advantage of a lower-complexity at the price of lower diversity. Frequency-domain equalization makes single carrier competitive compared to the equivalent OFDM scheme. We studied the space-time codes extension to frequency selective channels by imposing single-carrier waveform and frequency-domain equalization. The complexity of optimum detection of the concatenation of the space-time codes with an outer FEC makes it infeasible in practice. We thus proposed different frequency-domain turboequalizer structures for OFDM-coded or single-carrier MIMO systems whose complexity makes them compatible with an implementation. Recent studies proved that the capacity of interference channels linearly increases with the number of users. Interferenc alignment enables to achieves the optimum limit. We proposed optimized interference alignment schemes which increase the maximum data rate that can be achieved in the range of practical SNR values. We then focused on reception in interference channels for different scenarii. The first detection applied in the context of uplink transmission assuming base station cooperation is based on the exploitation of the sparse nature of signals. It can be used in the case when the user number is higher than the base station antenna number. Original interference alignment scheme assume perfect knowledge of the whole channel everywhere which is infeasible in the downlink case at the user side. We thus proposed a second detection suitable for this context and based on blind source separation techniques.As for sensor networks, we considered the case of metering from a high number of wireless sensors with the help of a relay, which involves reliable and short transmissions. We proposed a cooperation scheme based on a distributed product code between sources and the relay. We theoretically established the amount of redundancy required and added by the relay. We also computed a theoretical upper bound of the bit error probability of a minimum-distance optimized receiver which takes into account the errors in the relay. We deduce that the source-relay transmission link quality is the bottleneck of the cooperation scheme, which proves useful when the source-to-relay channel conditions are satisfactory and when the source-to-destination link quality is too poor to ensure reliable transmission. My perspectives immediately lie in the interference management context by progressively taking into account the constraints of higher layers (MAC). Massive MIMO and cell size reduction (with or without heterogeneous networks) are other perspectives. In the long term, I will investigate machine-to-machines communications., Les communications radio-mobiles ont connu un essor sans précédent depuis les années 1990. Les techniques de transmission, appuyées par les progrès technologiques, se sont significativement améliorées pour faire face à la double croissance du débit et du trafic. Par exemple, le principe turbo a permis d'obtenir des récepteurs quasi-optimaux, robustes, et de complexité raisonnable, tandis que les systèmes multi-antennes (MIMO) se sont imposés comme solution de croissance des efficacités spectrales pour une puissance d'émission fixe. Aujourd'hui, la principale limitation à l'augmentation du trafic et du nombre d'utilisateurs reste l'interférence. Or, les prévisions pour la décennie à venir annoncent une multiplication par un facteur mille du trafic, principalement due à l'explosion du nombre de machines connectées (communications M2M). Sans anticipation des mécanismes de gestion des interférences, les promesses ne pourront être tenues. Mes travaux de recherche s'insèrent dans ce contexte et se déclinent en trois axes principaux : le codage espace-temps, le traitement des interférences et la coopération dans des réseaux de capteurs. La conception usuelle des codes espace-temps n'intègre pas la contrainte de correction des erreurs de transmission et suppose une détection optimale en réception. En pratique, un code correcteur d'erreur est inséré dans la chaîne de transmission et selon le code espace-temps, une détection à maximum de vraisemblance est trop complexe. Nous avons donc développé un ensemble de méthodes génériques de construction de codes espace-temps correcteurs d'erreur à diversité maximale intégrant un code correcteur d'erreur dans leur définition. Les codes dérivés sont bien adaptés à une concaténation avec un code correcteur d'erreur externe et l'identification d'un code produit équivalent conduit à une structure de réception efficace et de complexité réduite. Nous avons également conçu des codes à dispersion linéaire, de rendement plein et à diversité maximale, optimisés sous les contraintes d'un code correcteur d'erreur externe et d'un turboégaliseur en réception. Les codes obtenus possèdent un meilleur état de convergence optimale du turboégaliseur, une plus petite valeur du rapport signal à bruit minimal, nécessaire à la convergence sur la borne inférieure, ainsi qu'un meilleur rapport entre la puissance crête et la puissance moyenne, comparé aux codes de la littérature. Sur un canal sélectif en fréquence, l'interférence entre symbole peut être traitée à l'émission en adoptant une forme d'onde OFDM ou en réception en utilisant un détecteur adapté. Dans le cas d'un système MIMO, s'ajoute l'interférence entre antennes. La forme d'onde OFDM offre l'avantage d'une complexité de réception moindre comparée à une égalisation temporelle d'une forme d'onde monoporteuse, au détriment de la diversité disponible. L'égalisation dans le domaine fréquentiel rend la solution monoporteuse compétitive vis-à-vis d'une solution OFDM équivalente. Nous avons donc étudié l'adaptation des codes espace-temps aux canaux sélectifs en fréquence, en imposant une forme d'onde monoporteuse et une égalisation dans le domaine fréquentiel. La complexité de la détection optimale de la concaténation du code espace-temps avec un code correcteur d'erreur la rend infaisable en pratique. Une alternative est la turboégalisation. Nous avons proposé différentes structures de turboégalisation fréquentielle pour des schémas MIMO codés OFDM et monoporteuse équivalents. L'analyse théorique de l'état optimal de convergence confirmée par des simulations démontre une diversité supérieure dans le cas monoporteuse, conduisant à une probabilité d'erreur inférieure. Par ailleurs, l'annuleur d'interférence comporte une inversion de matrice, qui contribue en grande partie au coût global de calculs. Pour réduire la complexité, nous avons proposé une structure originale et brevetée, basée sur une approximation optimisée de l'inversion matricielle à partir d'un développement en série. Des travaux récents ont démontré la croissance linéaire asymptotique (rapport signal à bruit infini) des canaux à interférence en fonction du nombre d'utilisateurs. Les schémas d'alignement d'interférence permettent d'atteindre cette limite. Nous nous sommes intéressés à l'optimisation de ces schémas pour augmenter le débit maximal pouvant être atteint dans des gammes de rapport signal à bruit pratiques. Nous avons ensuite considéré la problématique de réception sur un canal à interférence en prenant en compte différents scénarios. L'originalité du premier détecteur, appliqué dans le contexte d'une liaison montante avec coopération des stations de base, repose sur l'exploitation de la parcimonie des signaux. Ce récepteur est adapté au cas où le nombre de terminaux est supérieur au nombre de stations de base et son application n'est pas limitée par les dimensions du système. Le schéma original d'alignement d'interférence suppose la connaissance parfaite de la globalité du canal en toute extrémité. Dans le cas de la liaison descendante, cette hypothèse sera difficilement vérifiée au niveau des terminaux. Nous avons donc conçu un second détecteur, adapté à ce contexte et basé sur des techniques de séparation de source aveugle. Les principaux intérêts de ce système sont d'une part qu'il ne nécessite aucune estimation du canal en réception, limitant ainsi le nombre de données pilote requis, et d'autre part qu'il est robuste à des erreurs d'estimation du canal à l'émission (conception du schéma d'alignement d'interférence). S'agissant des réseaux de capteurs, nous avons considéré le contexte du rapport de données de mesures vers un serveur distant depuis un nombre élevé de capteurs sans fil, à l'aide d'un relais, impliquant la transmission fiable et rapide de blocs courts. Nous avons étudié une solution de coopération basée sur un code produit distribué entre les sources et le relais. La première originalité de nos travaux est l'établissement d'une approximation de la borne supérieure du débit maximal atteignable dans le cas de mots de code de longueur finie et d'une modulation à alphabet discret, fini. Elle nous a permis d'optimiser la quantité de redondance, ajoutée par le relais en fonction des conditions des canaux en présence. La seconde contribution majeure de nos travaux est le calcul d'une borne supérieure de la probabilité d'erreur en sortie d'un décodeur basé sur la minimisation de la distance minimale, prenant en compte la présence d'erreurs dans le relais. Nous avons mesuré la dégradation apportée par les erreurs sur le lien source-relais, qui permet d'établir les plages de rapports signal à bruit (source-relais et source-destination) pour lesquelles l'utilisation du relais apporte un gain et de quantifier ce gain. %Nous en avons déduit que le lien source-relais était le goulot d'étranglement du schéma coopératif et que la coopération était utile en présence de conditions favorables sur le lien source-relais, lorsque la qualité de transmission sur le lien source-destinataire était insuffisante pour garantir l'acheminement fiable des informations. Mes perspectives de recherche se situent dans la continuité de la réflexion amorcée sur la gestion des interférences, en intégrant progressivement l'interaction de la couche physique avec ses couches supérieures (MAC/réseau). J'envisage d'examiner la pertinence du Massive MIMO (nombre d'antennes côté station de base bien supérieur au nombre moyen de terminaux actifs) et/ou de la réduction de la taille des cellules (avec ou sans réseaux hétérogènes) pour répondre à la problématique de croissance des débits et du trafic sous contraintes d'efficacité d'énergie et de sécurisation des données en transit. A plus long terme, je souhaite m'investir dans la recherche d'architectures adaptées aux spécificités des communications M2M.

This report proposes a synthesis of my research and teaching activities. Since 2008, as associate professor at the University of Nice Sophia Antipolis, I did my research into the MCSOC team from the LEAT laboratory. For nearly 15 years, my activity is focused on the design of embedded communicating objects, with a strong emphasis for high level approach allowing, early in the design flow, to model and optimize the performance as well as the consumed energy. Those system-level approaches are more and more relevant over the last few years and become a must-have solution for designing efficient embedded systems. My activity on energy harvesting for autonomous systems brings an original contribution to this domain and has a national and international impact. This document is organized in two parts: the first part is a synthesis of my research and teaching activity, while the second one presents in details my research work, putting in evidence my contributions and innovative aspects. The manuscript ends with a scientific overview as well as some perspectives.; Ce manuscrit présente une synthèse de mes travaux de recherche. Depuis septembre 2008, date de ma nomination en tant que Maître de Conférences à l’Université de Nice Sophia Antipolis, j’ai effectué mes travaux de recherche au sein de la thématique MCSOC (Modélisation, Conception Système d’Objets Communicants) du laboratoire LEAT (Université de Nice Sophia Antipolis, UMR CNRS 7248). Depuis maintenant près de 15 ans, mes travaux de recherche s’intéressent au domaine de la conception d’objets communicants embarqués avec une évolution forte vers des approches de haut niveau d’abstraction permettant tôt dans le flot de conception, de modéliser et d’optimiser les performances et la consommation d’énergie. Ces approches de niveau système n’ont cessé de prendre de l’ampleur ces dernières années et s’installent aujourd’hui comme une solution incontournable du domaine de la conception de systèmes embarqués. Mes travaux plus spécifiques sur l’autonomie énergétique de ces systèmes apportent une contribution originale au domaine et ont un rayonnement national et international. Ce document est organisé en deux parties : la première partie propose une synthèse des travaux de recherche et d’enseignement ; la seconde présente de manière détaillée mes travaux de recherche en mettant en avant toutes ses contributions et originalités. Le manuscrit s’achève par un bilan scientifique ainsi que quelques perspectives de recherche.

This report proposes a synthesis of my research and teaching activities. Since 2008, as associate professor at the University of Nice Sophia Antipolis, I did my research into the MCSOC team from the LEAT laboratory. For nearly 15 years, my activity is focused on the design of embedded communicating objects, with a strong emphasis for high level approach allowing, early in the design flow, to model and optimize the performance as well as the consumed energy. Those system-level approaches are more and more relevant over the last few years and become a must-have solution for designing efficient embedded systems. My activity on energy harvesting for autonomous systems brings an original contribution to this domain and has a national and international impact. This document is organized in two parts: the first part is a synthesis of my research and teaching activity, while the second one presents in details my research work, putting in evidence my contributions and innovative aspects. The manuscript ends with a scientific overview as well as some perspectives.; Ce manuscrit présente une synthèse de mes travaux de recherche. Depuis septembre 2008, date de ma nomination en tant que Maître de Conférences à l’Université de Nice Sophia Antipolis, j’ai effectué mes travaux de recherche au sein de la thématique MCSOC (Modélisation, Conception Système d’Objets Communicants) du laboratoire LEAT (Université de Nice Sophia Antipolis, UMR CNRS 7248). Depuis maintenant près de 15 ans, mes travaux de recherche s’intéressent au domaine de la conception d’objets communicants embarqués avec une évolution forte vers des approches de haut niveau d’abstraction permettant tôt dans le flot de conception, de modéliser et d’optimiser les performances et la consommation d’énergie. Ces approches de niveau système n’ont cessé de prendre de l’ampleur ces dernières années et s’installent aujourd’hui comme une solution incontournable du domaine de la conception de systèmes embarqués. Mes travaux plus spécifiques sur l’autonomie énergétique de ces systèmes apportent une contribution originale au domaine et ont un rayonnement national et international. Ce document est organisé en deux parties : la première partie propose une synthèse des travaux de recherche et d’enseignement ; la seconde présente de manière détaillée mes travaux de recherche en mettant en avant toutes ses contributions et originalités. Le manuscrit s’achève par un bilan scientifique ainsi que quelques perspectives de recherche.

The accelerated evolution of wireless transmission in recent years has dramatically increased the spectrum overcrowding. Indeed, the spectrum is inefficiently used in the conventional networks, since a frequency band is statically allocated to a specific technology called primary (PU). Whereas the radio spectrum is limited, this static frequency allocation will no longer be able to meet the increasing needs of bandwidth. However, the spectrum can be optimally used in enabling secondary (SU) transmissions, provided the latters do not harm the PU. This opportunistic vision of wireless transmissions is the main aim of Cognitive Radio (CR). CR enables smart use of wireless resources and is a key ingredient to perform high spectral efficiency. We focus on a spatial interweave (SIW) CR scenario which exploits the spatial white spaces to enable SU transmissions. The latter forms spatial beams using precoders, so that there is no interference towards the primary. Nevertheless, this precoding requires acquisition of the crosslink channel. However, due to the lack of cooperation between PU and SU, we acquire the channel thanks to channel reciprocity. Furthermore, the practical use of the reciprocity is not as straightforward as in theory, because it is is jeopardized by the nonreciprocal radio frequency front-ends. These perturbations are compensated in our study by relative calibration algorithms. Subsequently, we propose an implementation of our solutions in a real-time LTE platform. Eventually, we extend the CR model to a MU system in suggesting a combination of SIW and massive MIMO techniques. This scheme is an interesting candidate to overcome the exponential traffic growth.; Les réseaux radio actuelles utilisent le spectre inefficacement, car une bande de fréquence est allouée de façon permanente à une technologie spécifique. Vu que le spectre est une ressource limitée, cette attribution statique ne pourra bientôt plus combler les besoins des systèmes de transmission qui ne cessent de croître. On peut toutefois optimiser l'utilisation du spectre en permettant des transmissions secondaires (SU) dans les espaces libres du primaire (PU). Cette vision constitue l'objectif principal de la radio cognitive. Nous proposons d'évaluer les stratégies de transmission pour la coexistence des systèmes primaires (PU) et SU dans les mêmes réseaux. Plus concrètement, nous nous focalisons sur un scénario spatial interweave en émettant les signaux SU dans les espaces vides du PU à l'aide d'un précodeur linéaire. Néanmoins, ce précodage nécessite une connaissance a priori des canaux interférents. L'échange d'informations entre le PU et le SU étant proscrit, nous exploitons l'hypothèse de la réciprocité du canal. Cette hypothèse compense l'absence de coopération, mais elle n'est pas si évidente à exploiter en pratique à cause des perturbations des circuits radio fréquence. Nous suggérons de compenser ces perturbations par des méthodes de calibration relative. Nous proposons ensuite une implémentation temps-réel des solutions sur une plateforme LTE. Pour finir, nous généralisons l'approche RC à un système de transmission multi-utilisateurs, à travers une combinaison des techniques RC et massive MIMO, cette approche constitue s’établit comme une solution à la progression exponentielle du trafic.

The increasing number of mobile terminals in home and in-building networks for indoor environments including offices, train stations and airports entails demanding bit-rate requirements with unprecedented increase in energy consumption. Considering the energy required per user terminal to access the Internet, more than half of the total energy used from the core network to the end user terminal is consumed in the home / in-building network. In the purpose to limit the energy consumed within an in-building infrastructure, whilst enabling higher bit-rates, a promising approach is to provide the wireless coverage by sharing the transmitted power among several distributed antennas. Therefore, a distributed antenna system (DAS) using radio-over-fiber (RoF) links is considered in the present study. One objective is to model and compute the system energy efficiency, as defined by the consumed power to the effective bit-rate ratio, and to compare it to that of a conventional single antenna system. The simulation results based on both power consumption measurements in Wi-Fi networks and power consumption modeling of radio-over-fiber links, show that a RoF-DAS can be up to three times more energy efficient than a conventional system for the same total radiated power. For the deployment of distributed antenna systems in indoor areas, a method is proposed to optimize their energy efficiency. Knowing the probability of presence of the terminals within a given area, the proposed method can determine the number of distributed antennas and the total radiated power. Finally, the present thesis studies algorithms for setting home equipment in standby mode and switching off distributed antennas when no connection is active. These algorithms add on to the aforementioned modeling and enable further reduction of energy consumption in home networks by more than 45% for an eight-hour day., La multiplication des terminaux mobiles dans les réseaux domestiques indoor tels que les habitations, les locaux professionnels ou encore les gares et les aéroports, entraîne une demande de plus en plus exigeante en terme de débit et une consommation énergétique accrue. Si on considère l'énergie consommée par utilisateur lors d'une connexion internet sur l'ensemble du réseau (du réseau coeur au terminal), plus de la moitié de l'énergie est consommée dans le réseau domestique. Pour limiter cette consommation énergétique domestique, tout en permettant une augmentation des débits, un système à antennes distribuées (DAS) utilisant des liens radio-sur-fibre est étudié dans cette thèse. Un premier objectif est de modéliser l'efficacité énergétique de cette architecture, définie comme étant le rapport de la puissance totale sur le débit effectif de transmission, de la calculer, puis de la comparer à celle d'un système mono-antenne. Les résultats de simulations, basés, à la fois sur la mesure expérimentale de la consommation de puissance dans des réseaux Wi-Fi, et une modélisation de la consommation des liens radio-sur-fibre permettent de montrer qu'un DAS peut être jusqu'à trois fois plus efficace énergétiquement qu'un système conventionnel en considérant une même puissance totale rayonnée. Ensuite, afin de déployer un système à antennes distribuées dans un espace indoor donné, une méthode est proposée pour optimiser l'efficacité énergétique. Elle permet à partir de la probabilité de présence des terminaux dans l'espace considéré, de déterminer le nombre optimal d'antennes distribuées ainsi que la puissance totale rayonnée. Cette thèse propose enfin des algorithmes de mise en veille d'équipement domestique et de désactivation des antennes distribuées en l'absence de connexion. Ces algorithmes complètent la modélisation précédente et peuvent permettre de réduire de plus de 45% la consommation énergétique d'un réseau domestique ayant une activité journalière de 8h.

Le développement croissant des systèmes de communication sans fil pour des applications médicales (imagerie), radar (surveillance, détection, localisation), radiomobiles (navigation, sur- veillance) et réseaux (WLAN,WPAN) nécessite l'introduction de nouvelles technologies. Depuis peu, un intérêt particulier s'est porté sur des applications courtes distances, très hauts débits (supérieurs à 100 Mbit/s), multi-utilisateurs et faible puissance (inférieure à 1 mW). Dans ce contexte, la technologie Ultra-Large Bande (ULB ou UWB) a récemment attiré l'attention de la communauté scientifique et des industriels. Alors que les technologies bande étroite sont fondées sur une étude dans le domaine fréquentiel, la technologie ULB se prête mieux à une étude dans le domaine temporel puisqu'elle utilise des signaux temporels très brefs, de spectre extrêmement large, de grande période de répétition et de faible puissance. Le développement de cette approche, considérée comme une évolution majeure des technologies traditionnelles bande étroite, induit des problématiques nouvelles au sein d'environnements intra-bâtiment. Ces problématiques nécessitent la réalisation préalable d'études approfondies de modélisation et de caractérisation du canal de propagation pour dimensionner les paramètres du système de transmission.Dans le cadre de l'élaboration d'outils de prédiction déterministe de la propagation à l'in-térieur de bâtiments, entrepris à l'ESYCOM (Marne-La-Vallée) en bande étroite et à l'IETR(Rennes) en ultra-large bande, nous avons cherché à développer une documentation préciseassociée aux comportements de deux éléments du canal de propagation, les matériaux et lesantennes ; l'implémentation de cette documentation dans les simulateurs de canal nécessiteraencore un peu de temps. Notre travail a consisté à développer deux modules particulièrementoriginaux traitant, dans les domaines fréquentiel et temporel, de modélisations analytique etnumérique, ainsi que de la caractérisation des matériaux et des antennes à l'aide de bancs demesure spéciÞquement réalisés. La spéciÞcité des études conduites tient à la modélisation desréponses de ces éléments dans le domaine temporel; notamment, nous avons montré que l'ex-citation d'un matériau par une impulsion génère des échos successifs déformés et atténués dontl'allure dépend de sa structure (porosité, dimension des grains,...) et des conditions initiales(température, humidité, ...). Aussi, l'excitation d'une antenne de type résonante produit dessignaux, qui au premier ordre, ont l'allure de la dérivée du signal incident mais ayant subi unedistorsion qui dépend de l'angle d'observation. Ainsi, nous avons remarqué que la largeur del'impulsion d'excitation influe non seulement sur l'allure des impulsions rayonnées dans l'espace,mais aussi sur la direction du maximum de rayonnement. Cette propriété remarquable permetd'envisager la focalisation d'une antenne ULB dans une direction particulière en modifiant ladurée et la forme de l'impulsion d'excitation. En prévision de l'analyse des trajets multiples d'un canal de propagation ultra-large bande, nous avons abordé leur identiÞcation à l'aide d'al-gorithmes Haute Résolution (HR) en considérant le canal généré par un matériau du bâtiment.Les algorithmes, MUSIC modiÞé et Faisceau de matrices, sont fondés sur l'analyse spectraleparamétrique des données et prennent en compte la dispersion fréquentielle. Ils ont permis dereconstruire la réponse impulsionnelle de matériaux caractérisés en réflexion.La modélisation d'une chaîne de transmission a été de plus abordée dans le cadre d'études defaisabilité du projet "internet-pêche" qui vise à doter des ßotilles de pêche de longueur inférieureà 25 mètres d'une connexion internet par liaison sans Þl aux fréquences MF-HF ([2 ; 30] MHz).Une modélisation statistique de la surface de la mer, remuée par le vent, pour un profil de reliefsous-marin donné, a été proposée. Puis, nous avons implémenté le modèle de propagation duterrain irrégulier afin de rendre compte de la présence d'ondes de sol se propageant sur unesurface de mer considérée comme rugueuse.

The high data rates required in modern communication can be achieved by multiplying the radiating element involved in the broadcast and in the reception of the wireless link. This solution is called MIMO (Multiple Input and Multiple Output). Also, to reduce the deep fading caused by the multi-path propagating environment, the diversity technique which consists to place one antenna in the broadcast and several antennas in the reception can be used. However, the integration of several efficient antennas on the printed circuit board (PCB) of a mobile phone is a new challenge for antenna researchers. The main goal remains to keep a high isolation between these radiators, otherwise, the diversity gain and the channel capacity of the system can drastically be reduced. The aim of this thesis is to demonstrate the possibility to integrate two closely spaced quarter-wavelength resonators on a small PCB, with high isolation and high total efficiencies when using a neutralization effect between the radiators. However, these two Planar Inverted-F Antennas (PIFAS) were not operating in the same frequency band (DCS and UMTS). This work has been further extended with the successful implementation of this technique to a multi-antennas system operating in the same UMTS band. Several multi-antenna handsets have been designed. Their performance in diversity and MIMO are measured in a reverberation chamber to Göteborg, and in a indoor and outdoor environments to Helsinki.; Pour répondre aux demandes de haut débit exigées par les communications mobiles de dernières générations, une solution consiste à augmenter le nombre d'antennes à l'émission et à la réception de la liaison sans fil. On parle alors de technique MIMO (Multiple Input, Multiple Output). De même, pour réduire les évanouissements des signaux provoqués par l'environnement de propagation multi-trajets, la technique de diversité qui consiste à placer une antenne à l'émission et plusieurs antennes à la réception peut être utilisée. Cependant, l'intégration de plusieurs antennes sur le plan de masse d'un même téléphone portable est un challenge délicat. En effet, à cause du volume restreint de l'appareil, une forte isolation entre antennes doit être atteinte afin de maximiser le gain de diversité et/ou d'accroître la capacité de transmission du système global. Le travail de cette thèse a consisté à montrer qu'il était possible à l'aide d'un effet de neutralisation, d'intégrer deux résonateurs quart d'onde étroitement proches sur un PCB, tout en les maintenant fortement isolés du point de vue électromagnétique et présenter ainsi des efficacités totales très satisfaisantes. Ces résultats étaient cependant obtenus pour deux antennes PIFAs n'opérant pas dans la même bande de fréquence (DCS et UMTS). Ce travail a ensuite été étendu avec la mise en oeuvre de la technique de neutralisation pour des systèmes multi-antennes opérant dans la même bande de fréquence UMTS. Plusieurs structures sont réalisées. Leurs performances en diversité et en MIMO sont mesurées dans une chambre réverbérante à Göteborg et dans un environnement réel à Helsinki.

This thesis deals with iterative processing for linear precoding and its application to OFDM and multi-antenna systems. The purpose of linear precoding is to exploit time, frequency or space diversity. Nevertheless, optimal detectors have a complexity increasing exponentially with the system parameters. Iterative algorithms recently derived from the "turbo" principle allow the detector to benet from the a priori information provided by the error correcting code. The main detectors that can be applied to linear precoding are then studied and an iterative algorithm is adapted from the MMSE-IC-LE receiver for the turbo-equalization.; Cette thèse présente l'étude des systèmes itératifs pour le traitement du précodage linéaire et son application à l'OFDM et aux systèmes à antennes multiples.Le précodage linéaire est une méthode permettant de profiter de la diversité temporelle, fréquentielle ou spatiale du canal. Cependant, le détecteur optimal pour ce type de dispositif à une complexite qui croît de manière exponentielle avec les dimensions du système.Les algorithmes itératifs récemment dérivés du principe "turbo" permettent au détecteur de bénéficier d'une information a priori fournie par un code correcteur d'erreurs. Les principaux détecteurs applicables au précodage linéaire sont ainsi étudiés et une méthode de traitement itératif est adaptée du récepteur MMSE-IC-LE pour la turbo-égalisation.Le traitement proposé ainsi que les autres détecteurs étudiés offrent un gain en diversité potentiellement identique quel que soit le critère de détection choisi, MAP ou MMSE. Les performances théoriques sont déterminées en considérant une information a priori parfaite en entrée du détecteur. Sur un canal de Rayleigh, l'ordre de diversité est ainsi égal au produit de la diversité du code par la taille de la matrice de précodage. D'autre part, nous observons l'influence du traitement et des paramètres du système sur la convergence à l'aide de diagrammes EXIT. La méthode proposée offre un bon compromis entre performance et complexité, même si le seuil de convergence est retardé lorsque l'efficacité spectrale (modulation, rendement de code) et la taille du précodage linéaire augmentent.Le précodage linéaire avec un traitement itératif en réception est alors appliqué à deux cas réalistes. La modulation multi-porteuses du standard 802.11a est tout d'abord considérée.Dans un contexte de diversité limitée en temps et en fréquence, le précodage linéaire est capable d'apporter un gain significatif avec un traitement de faible complexité. Enfin, le précodage linéaire est associé à un système multi-antennes. La forme générale utilisée pour décrire les architectures étudiées permet d'effectuer un traitement itératif conjoint du précodage linéaire et du multiplexage spatial. L'ordre de diversité obtenu précédemment est alors multiplié par le nombre d'antennes de réception. L'étude de la convergence du traitement itératif proposé montre que l'utilisation du précodage linéaire améliore les performances à fort rapport signal à bruit au prix d'une dégradation de la convergence.

This thesis deals with iterative processing for linear precoding and its application to OFDM and multi-antenna systems. The purpose of linear precoding is to exploit time, frequency or space diversity. Nevertheless, optimal detectors have a complexity increasing exponentially with the system parameters. Iterative algorithms recently derived from the "turbo" principle allow the detector to benet from the a priori information provided by the error correcting code. The main detectors that can be applied to linear precoding are then studied and an iterative algorithm is adapted from the MMSE-IC-LE receiver for the turbo-equalization.; Cette thèse présente l'étude des systèmes itératifs pour le traitement du précodage linéaire et son application à l'OFDM et aux systèmes à antennes multiples.Le précodage linéaire est une méthode permettant de profiter de la diversité temporelle, fréquentielle ou spatiale du canal. Cependant, le détecteur optimal pour ce type de dispositif à une complexite qui croît de manière exponentielle avec les dimensions du système.Les algorithmes itératifs récemment dérivés du principe "turbo" permettent au détecteur de bénéficier d'une information a priori fournie par un code correcteur d'erreurs. Les principaux détecteurs applicables au précodage linéaire sont ainsi étudiés et une méthode de traitement itératif est adaptée du récepteur MMSE-IC-LE pour la turbo-égalisation.Le traitement proposé ainsi que les autres détecteurs étudiés offrent un gain en diversité potentiellement identique quel que soit le critère de détection choisi, MAP ou MMSE. Les performances théoriques sont déterminées en considérant une information a priori parfaite en entrée du détecteur. Sur un canal de Rayleigh, l'ordre de diversité est ainsi égal au produit de la diversité du code par la taille de la matrice de précodage. D'autre part, nous observons l'influence du traitement et des paramètres du système sur la convergence à l'aide de diagrammes EXIT. La méthode proposée offre un bon compromis entre performance et complexité, même si le seuil de convergence est retardé lorsque l'efficacité spectrale (modulation, rendement de code) et la taille du précodage linéaire augmentent.Le précodage linéaire avec un traitement itératif en réception est alors appliqué à deux cas réalistes. La modulation multi-porteuses du standard 802.11a est tout d'abord considérée.Dans un contexte de diversité limitée en temps et en fréquence, le précodage linéaire est capable d'apporter un gain significatif avec un traitement de faible complexité. Enfin, le précodage linéaire est associé à un système multi-antennes. La forme générale utilisée pour décrire les architectures étudiées permet d'effectuer un traitement itératif conjoint du précodage linéaire et du multiplexage spatial. L'ordre de diversité obtenu précédemment est alors multiplié par le nombre d'antennes de réception. L'étude de la convergence du traitement itératif proposé montre que l'utilisation du précodage linéaire améliore les performances à fort rapport signal à bruit au prix d'une dégradation de la convergence.

Rapporteurs :M. SYLVAIN Professeur à l'Université de Marne-la-Vallée,J—F DIOURIS Professeur à l'Ecole Polytechnique de l'Université de NantesExaminateurs :M. LIENARD Maître de conférences - HDR à l'Université de LilleR. VAUZELLE Maître de conférences - HDR à l'Université de PoitiersJ—P BARBOT Maître de conférences à l'E.N.S. de CACHANJ. CITERNE Professeur à l'INSA de RennesG. EL ZEIN Professeur à l'INSA de Rennes; MIMO?(Multiple Input - Multiple Output) techniques constitute promising solutions regarding future high data rates wireless communication systems. These techniques aim at exploiting the spatial dimension which is offered by the propagation environment through several antennas at the transmitter and receiver, thus enabling to substantially increase the digital rate. MIMO performances are considerably dependant on the wireless propagation channel properties. It is then highly important to take interest in these ones.This document has two purposes: to deepen the knowledge on the theorical and physical aspects of the spatio-temporal MIMO channel caracterisation and modelisation while considering the spatial dimension on a level with the temporal dimension, and to propose a realistic MIMO channel simulator based on measurements results.; Les techniques MIMO (Multiple Input - Multiple Output) constituent des solutions prometteuses pour les futurs systèmes de communications sans fil à très haut débit. Ces techniques visent à exploiter la dimension spatiale offerte par le milieu de propagation par l'intermédiaire de plusieurs antennes en émission et en réception permettant ainsi d'augmenter substantiellement le débit numérique.Les performances des systèmes MIMO étant largement tributaire des propriétés du canal de propagation sans fil, il est d'autant plus important pour ces systèmes de s'intéresser à ces dernières.Ce document a pour double objectif d'approfondir la connaissance sur les aspects théoriques et physiques de la caractérisation et de la modélisation spatio-temporelles du canal de transmission MIMO, en considérant la dimension spatiale au même niveau que la dimension temporelle, ainsi que de proposer un simulateur du canal MIMO réaliste basé sur des résultats de mesures.

Rapporteurs :M. SYLVAIN Professeur à l'Université de Marne-la-Vallée,J—F DIOURIS Professeur à l'Ecole Polytechnique de l'Université de NantesExaminateurs :M. LIENARD Maître de conférences - HDR à l'Université de LilleR. VAUZELLE Maître de conférences - HDR à l'Université de PoitiersJ—P BARBOT Maître de conférences à l'E.N.S. de CACHANJ. CITERNE Professeur à l'INSA de RennesG. EL ZEIN Professeur à l'INSA de Rennes; MIMO?(Multiple Input - Multiple Output) techniques constitute promising solutions regarding future high data rates wireless communication systems. These techniques aim at exploiting the spatial dimension which is offered by the propagation environment through several antennas at the transmitter and receiver, thus enabling to substantially increase the digital rate. MIMO performances are considerably dependant on the wireless propagation channel properties. It is then highly important to take interest in these ones.This document has two purposes: to deepen the knowledge on the theorical and physical aspects of the spatio-temporal MIMO channel caracterisation and modelisation while considering the spatial dimension on a level with the temporal dimension, and to propose a realistic MIMO channel simulator based on measurements results.; Les techniques MIMO (Multiple Input - Multiple Output) constituent des solutions prometteuses pour les futurs systèmes de communications sans fil à très haut débit. Ces techniques visent à exploiter la dimension spatiale offerte par le milieu de propagation par l'intermédiaire de plusieurs antennes en émission et en réception permettant ainsi d'augmenter substantiellement le débit numérique.Les performances des systèmes MIMO étant largement tributaire des propriétés du canal de propagation sans fil, il est d'autant plus important pour ces systèmes de s'intéresser à ces dernières.Ce document a pour double objectif d'approfondir la connaissance sur les aspects théoriques et physiques de la caractérisation et de la modélisation spatio-temporelles du canal de transmission MIMO, en considérant la dimension spatiale au même niveau que la dimension temporelle, ainsi que de proposer un simulateur du canal MIMO réaliste basé sur des résultats de mesures.

The research tasks presented in this manuscript lie within the dynamics of progress related to the development of micro-electronics, short ranges telecommunications and the fusion of multisensor data. They relate to the study of communicating autonomous Microsystems inter-connected for monitoring functions. These new devices have as objective to offer capacities of treatment-communication initially non-existent in physical objects as sensors/actuators. Their development will be considerable since they will be able to constitute a communicating local area network and to fit in a simply way into a more overall system. New supervision functionalities can be so envisaged. This work contributes by a global and methodological approach to this objective by studying the principal components of such Microsystems from design to realization: sensors of presence, wireless integrated communication devices and diagnosis algorithms. The scientific approach is based on some examples of application in the field of the home automation, which allowed on the one hand, to work out and validate he technological concepts suggested in experiments, and on the other hand, to realize technical solutions for adapted communication architectures. Two systems of ambient intelligence resting on the original concept of automated learning of the presence habits are used as support with the various developments: PROSAFE for the monitoring of the elderly and ERGDOM for the management of felt thermal comfort. These demonstrators carried out and validated on real sites contribute to the progress of the work done for the smart home; Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire s'inscrivent dans la dynamique de progrès liés au développement de la microélectronique, des télécommunications à courtes portées et de la fusion de données multicapteurs. Ils portent sur l'étude de microsystèmes autonomes communicants interconnectés pour des fonctions de surveillance. Ces nouveaux dispositifs ont pour objectif d'offrir des capacités de traitement-communication inexistant initialement dans des objets physiques de types senseurs/actionneurs. Leur développement sera considérable dès lors qu'ils pourront constituer un réseau local communicant et s'insérer de manière simple dans un système plus global. De nouvelles fonctionnalités de supervision sont alors envisageables. Ces travaux contribuent par une approche globale et méthodologique à cet objectif en étudiant les principaux constituants de tels microsystèmes depuis la conception jusqu'à la réalisation : capteurs de présence, dispositifs de communication intégrés sans fil et algorithmes de diagnostic. La démarche scientifique s'appuie sur quelques exemples d'application dans le domaine de la domotique qui ont permis d'une part, d'élaborer et de valider expérimentalement les concepts technologiques proposés, et d'autre part, d'élaborer des solutions techniques pour des architectures de communication adaptées. Deux systèmes d'intelligence ambiante reposant sur le concept original d'apprentissage automatisé des habitudes de présence servent de support aux différents développements : PROSAFE pour la surveillance de personnes âgées et ERGDOM pour la gestion du confort thermique ressenti. Ces démonstrateurs réalisés et évalués sur sites réels contribuent à l'avancée des travaux effectués pour l'habitat intelligent