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Energy is one of the biggest expenses for a data center, most of which is attributed to the cooling system, as well as the many underlying parts, such as network equipment and the large number of machines used.These infrastructures are very energy-intensive, and their number is constantly increasing around the world, especially due to the growing popularity of the Cloud Computing.A lot of software is needed to run these infrastructures, especially for network management, data storage, task scheduling and the supervision of all hardware and software.All these software consumes a significant amount of energy, but are not taken into account in the calculation of the energy efficiency of the infrastructures.The scientific community as well as data center operators have developed many approaches to evaluate and optimize energy consumption globally, but the question of the energy cost of software infrastructures remains rarely studied.The objective of this thesis is to propose methods to analyze the end-to-end software energy efficiency of data processing infrastructures.To do so, we propose approaches and tools to accurately estimate the energy consumption of software running on a distributed infrastructure, as well as an indicator to calculate their energy efficiency.Firstly, we introduce SmartWatts, a software power meter to estimate the energy consumption of software containers deployed on a machine.Secondly, we propose SelfWatts, a controller to automate the configuration of software power meters to facilitate their deployment in heterogeneous infrastructures.And finally, we propose xPUE, a metric to calculate the energy efficiency of software and hardware in real-time at different levels of an infrastructure.Through these contributions, we aim to advance the knowledge in the field of software energy consumption, and allow to accurately measure the energy consumption of software deployed at different levels of the infrastructure.This allows infrastructure operators, as well as software developers and users, to observe and analyze in detail the energy consumption and thus assist in its optimization., L’Énergie représente l’un des principaux postes de dépense pour un centre de données, dont la majeure partie est attribuée au système de refroidissement, ainsi qu'aux nombreuses parties sous-jacentes, comme les équipements réseau et au grand nombre de machines utilisées.Ces infrastructures sont très énergivores, et leur nombre ne cesse d'augmenter à travers le monde, notamment grâce à la popularité croissante du Cloud Computing.De nombreux logiciels sont nécessaires au bon fonctionnement de ces infrastructures, notamment pour la gestion du réseau, du stockage de données, de l'ordonnancement des tâches ainsi que de la supervison de l'ensemble du matériel et des logiciels.Tous ces logiciels consomment une quantité significative d'énergie, mais ne sont pourtant pas pris en compte dans les calculs de l'efficience énergétique des infrastructures.La communauté scientifique ainsi que les opérateurs de centres de données ont développé de nombreuses approches afin d'évaluer et d'optimiser globalement la consommation énergétique, mais la question du coût en énergie des infrastructures logicielles reste peu étudiée.L'objectif de cette thèse est de proposer des méthodes permettant d'analyser de bout en bout l’efficacité énergétique logicielle des infrastructures de traitement de données.Pour cela, nous proposons des approches et outils permettant d'estimer fidèlement la consommation énergétique des logiciels exécutés sur une infrastructure distribuée, ainsi qu'un indicateur permettant de calculer leur efficience énergétique.Dans un premier temps, nous proposons SmartWatts, un wattmètre logiciel permettant d'estimer la consommation énergétique des conteneurs logiciels déployés sur une machine.Ensuite, nous proposons SelfWatts, un contrôleur permettant d'automatiser la configuration des wattmètres logiciels afin de faciliter leur déploiement dans des infrastructures hétérogènes.Et enfin, nous proposons le xPUE, un indicateur permettant de calculer l'efficience énergétique des logiciels et du matériel en temps réel aux différents niveaux d'une infrastructure.À travers ces différentes contributions, nous visons à faire évoluer la connaissance dans le domaine de la consommation énergétique des logiciels, et permettre de mesurer avec précision la consommation énergétique des logiciels déployés aux différents niveaux des infrastructures.Cela permet aux opérateurs de ces infrastructures, mais également aux développeurs et utilisateurs de logiciels d'observer et d'analyser en détails la consommation énergétique et ainsi d'assister dans l'optimisation de celle-ci.

Modern wireless communications are pushing the limits of data rate and communication bandwidth needs. With the appearance of new services, users are expected to increase their data usage and access to services, requiring instantaneous response time. To that extent, 5G and future wireless technologies are in the race for high data rate communications, low-latency and connectivity of billions of things, offering new services for users. However, these improvements lead to key challenges, namely sustainability, energy efficiency and overall system complexity. Looking at the future, it appears that for 6G technology, these challenges will become primordial. Specifically, particular attention shall be paid to offer a sustainable design and development of transmitters and receivers hardware components, which are exhibiting key issues about energy consumption. Thus, the design of transceivers must be rethought to put forward low-complexity and sustainable solutions.In this thesis, our objective is to enhance the power efficiency of radio-frequency power amplifiers, leading to a high global system energy efficiency. Indeed, the power amplifier represents the most power hungry hardware component of the transmitter chain. Then, its power efficiency must be maximized to improve global carbon footprint. Nonetheless, this hardware component exhibits strong nonlinearities when operated close to its saturation, where its power efficiency is high. Therefore, we focus on digital pre-distortion approach to linearize the power amplifier and improve its power efficiency. To propose an efficient linearizing module, deep learning, neural networks, solutions have emerged as they offer robustness and reliability to solve nonlinear problems. However, neural networks and particularly applied to digital pre-distortion are facing several issues which represent a bottleneck. Complexity, adaptivity and energy efficiency are the main aspects that a pre-distortion module must take into consideration to be robust. These represent the main challenges of neural networks in this use case. To address these challenges, we propose in this thesis, a novel design of digital pre-distortion based on neural networks to linearize efficiently a power amplifier.To achieve such goal, this thesis is structured on three main axes. (1) First, we propose a fully customized architecture of neural networks dedicated to perform digital pre-distortion. By doing so, we think differently from the ``blackbox'' architecture design and drastically lower the complexity of the digital pre-distortion module. By breaking down the complexity, we are able to offer a cost-effective digital pre-distortion. (2) Second, we investigate approaches to deal with the time-varying effects that may affect the power amplifier, such as the temperature or electrical variations. Usually, neural networks have a poor capacity to adapt to unseen events during their training. Then, to improve the adaptivity of our solution, we choose to use a new class of learning algorithms called meta-learning. Using the latter, we demonstrate that with few data and calibration time, our proposed digital pre-distortion is able to deal with time-varying power amplifiers, with satisfying results for real-world applications. (3) Third, we further optimize our module by considering hardware implementation aspects. We propose to perform quantization on our neural networks to improve the computing resource usage and lower the energy consumption. This step is crucial to propose a hardware implementation since we would like to optimize the computing load and energy efficiency of the system. To avoid the noise induced by the quantization operation, we learn our model how to mitigate this noise by using a quantization aware training. Our results show that our quantized digital pre-distortion has the same performance as without quantization, and presents the same complexity as the implementation of a fast Fourier transform.; Les technologies de communications sans-fil modernes repoussent les limites actuelles en termes de débit et bande passante. En effet, l'apparition de nouveaux services impose un débit et accès fortement accrus. La 5G et les technologies de communications futures font l'objet d'une course au haut-débit, à la faible latence et à la connexion de milliards d'objets. Cependant, de telles améliorations impliquent pléthore de défis à relever tels que la durabilité, l'efficacité énergétique, et la complexité des systèmes. A long terme, il semble que pour la 6G, ces défis deviendront primordiaux. En l'occurrence, une attention particulière devra être portée à la conception durable des éléments matériels constituant les transmetteurs et récepteurs sans-fil. Ainsi, il convient de repenser leur conception pour mettre avant des solutions basse complexité et durables.Cette thèse a pour objectif d'améliorer l'efficacité énergétique des amplificateurs de puissance radiofréquence. L'amplificateur de puissance est le composant le plus énergivore de la chaine de transmission radiofréquence. Ainsi, son efficacité énergétique doit être maximisée pour améliorer l'empreinte carbone du système. Mais, ce composant matériel présente des non-linéarités quand il est utilisé proche de sa saturation, zone où son efficacité est maximale. Par conséquent, dans cette thèse, nous nous intéressons à la pré-distorsion numérique pour linéariser l'amplificateur de puissance, et ainsi améliorer son efficacité énergétique. Afin de proposer un module de linéarisation efficace, des techniques d'apprentissage profond, reposant sur des réseaux de neurones, sont considérées. En effet, elles offrent une certaine robustesse et fiabilité pour résoudre des problèmes non linéaires. Toutefois, les réseaux de neurones et particulièrement appliqués à la pré-distorsion numérique, présentent plusieurs problèmes. La complexité, l'adaptabilité et l'efficacité énergétique sont les principaux aspects à prendre en compte pour concevoir une pré-distorsion efficace ; ces derniers faisant défaut aux réseaux de neurones. Pour traiter ces défis, nous proposons une nouvelle conception de pré-distorsion numérique basée sur des réseaux de neurones pour linéariser efficacement l'amplificateur de puissance.Pour atteindre un tel but, cette thèse se construit autour de trois grands axes. (1) Tout d'abord, nous proposons une architecture de réseaux de neurones spécifique et dédiée à la conception d'une fonction de pré-distorsion. Ce faisant, nous améliorons drastiquement la complexité de cette dernière. (2) Ensuite, nous abordons des approches permettant de faire face aux contraintes temporelles qui influent sur l’amplificateur de puissance. On peut notamment citer des effets relatifs à la température et variations électriques du composant. Généralement, les réseaux de neurones sont peu performants lorsqu'ils doivent s'adapter à des événements inconnus de leur apprentissage. Ainsi, pour améliorer l’adaptabilité de notre solution, nous employons une classe d'algorithmes nommée "méta-apprentissage". Par ce biais, nous démontrons que notre système peut s'adapter en utilisant peu de données et temps de calibration avec des résultats satisfaisants, permettant ainsi son usage en condition réelle. (3) Finalement, nous optimisons notre module en vue d’une implémentation matérielle. Spécifiquement, nous proposons d'agir sur la quantification de nos réseaux de neurones pour améliorer leurs consommations en ressources et énergie. Cette opération s’avère cruciale pour une implémentation où les ressources s'avèrent limitées. Pour éviter le bruit induit par la quantification, nous apprenons à notre solution comment l'atténuer. Nos résultats montrent que l’emploi de la quantification n'altère pas les performances du système. De plus, la solution quantifiée présente la même complexité matérielle qu'une transformée de Fourier.

Over the years, System-on-Chip (SoC) has evolved from a single processor in a chip to multi/many processors in chips containing billions of transistors. With the evolution of SoC, new research topics have risen on interconnect between processors in a chip. Network-on-Chip(NoC) has been proposed as a solution for more dynamic communication links to connect large number of Intellectual Property (IP)s. Secondly, to overcome drawbacks of electrical NoC, Optical communication link has been proposed as a promissing solution. This type of NoC provides low latency and high bandwith, but it suffers from low power efficiency. In this thesis, we address this topic and we aim to develop techniques to manage laser power consumption. To address this challenge, we exploit the approximation concept and we apply it to the ONoC to propose two types of communications: Approximate and accurate communications. Our proposal is applied to Floating-Point (FP) numbers by using low-power optical signals for LSB, at the cost of higher error rate. These approximate optical signals allow a drastic reduction in the laser power consumption. In parallel, to ensure the communication accuracy on MSBs, the laser power levels are remained using high power signals. Simulations results demonstrate that a reduction of to 42% of laser power can be obtained for Streamcluster application with a limited degradation at the application level. Furthermore, we propose to manage the communications accordong to the distance between source and destination cores. However, this fine-grain distance-aware management could be too costly, so we propose a low overhead distance-aware technique based on only two distances Short/Long classes. The results of our evaluation show drastic laser power reduction of 20%for example for Streamcluster application.; Au fil des ans, le système sur puce (SoC) a évolué d'un processeur unique dans une puce à plusieurs processeurs dans des puces contenant des milliards de transistors. Avec l'évolution des SoC, de nouveaux sujets de recherche ont vu le jour sur l'interconnexion entre les processeurs d'une puce. Le réseau sur puce (NoC) a été proposé comme solution pour des liaisons de communication plus dynamiques afin de connecter un grand nombre de propriétés intellectuelles (IP). Deuxièmement, pour surmonter les inconvénients du NoC électrique, une liaison de communication optique a été proposée comme solution prometteuse. Ce type de NoC offre une faible latence et une bande passante élevée, mais il souffre d'une faible efficacité énergétique. Dans cette thèse, nous abordons ce sujet et nous visons à développer des techniques pour gérer la consommation d'énergie des lasers. Pour relever ce défi, nous exploitons le concept d'approximation et nous l'appliquons à l'ONoC pour proposer deux types de communications : des communications approximatives et précises. Notre proposition est appliquée aux nombres à virgule flottante (FP) en utilisant des signaux optiques de faible puissance pour LSB, au prix d'un taux d'erreur plus élevé. Ces signaux optiques approximatifs permettent une réduction drastique de la consommation d'énergie du laser. En parallèle, pour assurer la précision de la communication sur les MSB, les niveaux de puissance laser sont maintenus en utilisant des signaux de haute puissance. Les résultats des simulations démontrent qu'une réduction de 42 % de la puissance laser peut être obtenue pour l'application Streamcluster avec une dégradation limitée au niveau de l'application. De plus, nous proposons de gérer les communications en fonction de la distance entre les cœurs source et destination. Cependant, cette gestion sensible à la distance à grain fin pourrait être trop coûteuse, nous proposons donc une technique sensible à la distance à faible surcoût basée sur seulement deux classes de distances Court/Long. Les résultats de notre évaluation montrent une réduction drastique de la puissance laser de 20 %, par exemple pour l'application Streamcluster.

Over the years, System-on-Chip (SoC) has evolved from a single processor in a chip to multi/many processors in chips containing billions of transistors. With the evolution of SoC, new research topics have risen on interconnect between processors in a chip. Network-on-Chip(NoC) has been proposed as a solution for more dynamic communication links to connect large number of Intellectual Property (IP)s. Secondly, to overcome drawbacks of electrical NoC, Optical communication link has been proposed as a promissing solution. This type of NoC provides low latency and high bandwith, but it suffers from low power efficiency. In this thesis, we address this topic and we aim to develop techniques to manage laser power consumption. To address this challenge, we exploit the approximation concept and we apply it to the ONoC to propose two types of communications: Approximate and accurate communications. Our proposal is applied to Floating-Point (FP) numbers by using low-power optical signals for LSB, at the cost of higher error rate. These approximate optical signals allow a drastic reduction in the laser power consumption. In parallel, to ensure the communication accuracy on MSBs, the laser power levels are remained using high power signals. Simulations results demonstrate that a reduction of to 42% of laser power can be obtained for Streamcluster application with a limited degradation at the application level. Furthermore, we propose to manage the communications accordong to the distance between source and destination cores. However, this fine-grain distance-aware management could be too costly, so we propose a low overhead distance-aware technique based on only two distances Short/Long classes. The results of our evaluation show drastic laser power reduction of 20%for example for Streamcluster application.; Depuis leur apparition, le système sur puce (SoC) a évolué d'un processeur unique dans une puce à plusieurs processeurs dans des puces contenant des milliards de transistors. Avec l'évolution des SoC, de nouveaux sujets de recherche ont vu le jour sur l'interconnexion entre les processeurs d'une puce. Le réseau sur puce (NoC) a été proposé comme solution pour des liaisons de communication plus dynamiques afin de connecter un grand nombre de propriétés intellectuelles (IP). Deuxièmement, pour surmonter les inconvénients du NoC électrique, une liaison de communication optique a été proposée comme solution prometteuse. Ce type de NoC offre une faible latence et une bande passante élevée, mais il souffre d'une faible efficacité énergétique. Dans cette thèse, nous abordons ce sujet et nous visons à développer des techniques pour gérer la consommation d'énergie des lasers. Pour relever ce défi, nous exploitons le concept d'approximation et nous l'appliquons à l'ONoC pour proposer deux types de communications : des communications approximatives et précises. Notre proposition est appliquée aux nombres à virgule flottante (FP) en utilisant des signaux optiques de faible puissance pour LSB, au prix d'un taux d'erreur plus élevé. Ces signaux optiques approximatifs permettent une réduction drastique de la consommation d'énergie du laser. En parallèle, pour assurer la précision de la communication sur les MSB, les niveaux de puissance laser sont maintenus en utilisant des signaux de haute puissance. Les résultats des simulations démontrent qu'une réduction de 42 % de la puissance laser peut être obtenue pour l'application Streamcluster avec une dégradation limitée au niveau de l'application. De plus, nous proposons de gérer les communications en fonction de la distance entre les cœurs source et destination. Cependant, cette gestion sensible à la distance à grain fin pourrait être trop coûteuse, nous proposons donc une technique sensible à la distance à faible surcoût basée sur seulement deux classes de distances Court/Long. Les résultats de notre évaluation montrent une réduction drastique de la puissance laser de 20 %, par exemple pour l'application Streamcluster.

Wireless visual sensor networks based on IEEE 802.11 mesh networks are effective and suitable solutions for video surveillance systems in monitoring intrusions in selected areas. The IEEE 802.11-based visual sensor networks offer high bit rate video transmissions but suffer from energy inefficiency issues. Moreover, the video transmission in the visual sensor networks requires strict quality of service (QoS) in terms of bandwidth and delay. Also, it is challenging to decrease the overall energy consumption of the network while assuring guaranteed QoS in terms of bandwidth and delay in energy-constrained wireless visual sensor networks. The main contribution of this dissertation is to provide an energy-efficient video surveillance network without compromising the QoS requirement of video transmission. First, we propose a new hybrid IoT network architecture for a video surveillance system that detects and tracks an intruder in the monitoring area. The hybrid IoT network integrates the IEEE 802.11-based multi-hop visual Sensor Networks and LoRa network to provide an autonomous, energy-efficient, high-bitrate video surveillance system. Leveraging the LoRa network characteristics, the LoRa network is utilized as an always-active network for preliminary motion detection and tracking. Moreover, the LoRa network also decides which visual sensor nodes to wake up depending on the tracking information. The Kalman filter is investigated to track the intruder's trajectory from noise measurements of low-power motion sensors to activate only the visual sensor nodes along the intruder's trajectory to provide effective video vigilance. We showed through simulation that Kalman filter estimates and predicts intruder trajectory with reasonable accuracy. Moreover, the proposed hybrid IoT network approach reduces energy consumption significantly compared with a traditional, always active continuous monitoring single-tier visual sensor network. Next, the contribution of this dissertation focuses on an energy-aware and QoS routing mechanism for the IEEE 802.11-based multi-hop visual sensor network of the hybrid IoT network. We propose a routing algorithm that routes a set of video streams to the gateway with guaranteed QoS in terms of bandwidth and delay while minimizing the number of visual sensor nodes that are involved in routing. This maximizes the number of nodes that can be turned off completely to optimize the overall energy consumption of the network without compromising QoS performance. The proposed routing problem is formulated as an Integer Linear Program (ILP) and solved using the branch-and-bound algorithm. Through computer simulation, the performance of the proposed approach is compared with the existing state-of-the-art routing algorithms from the literature. The results clearly show that the proposed mechanism saves a significant amount of the overall energy consumption while guaranteeing QoS in terms of bandwidth and delay.; Les réseaux de capteurs visuels sans fil basés sur les réseaux maillés IEEE 802.11 sont des solutions efficaces et adaptées aux systèmes de vidéosurveillance pour surveiller les intrusions dans des zones sélectionnées. Les réseaux de capteurs visuels basés sur IEEE 802.11 offrent des transmissions vidéo à haut débit mais souffrent de problèmes d'inefficacité énergétique. De plus, la transmission vidéo dans les réseaux de capteurs visuels nécessite une qualité de service (QoS) stricte en termes de bande passante et de délai. En outre, il est difficile de réduire la consommation énergétique globale du réseau tout en garantissant une qualité de service garantie en termes de bande passante et de délai dans les réseaux de capteurs visuels sans fil à énergie limitée. La principale contribution de cette thèse est de fournir un réseau de vidéosurveillance économe en énergie sans compromettre l'exigence de qualité de service de la transmission vidéo. Premièrement, nous proposons une nouvelle architecture de réseau hybride IoT pour un système de vidéosurveillance qui détecte et suit un intrus dans la zone de surveillance. Le réseau IoT hybride intègre les réseaux de capteurs visuels multi-sauts basés sur IEEE 802.11 et le réseau LoRa pour fournir un système de vidéosurveillance autonome, économe en énergie et à haut débit. Tirant parti des caractéristiques du réseau LoRa, le réseau LoRa est utilisé comme un réseau toujours actif pour la détection et le suivi préliminaires des mouvements. De plus, le réseau LoRa décide également quels nœuds de capteurs visuels réveiller en fonction des informations de suivi. Le filtre de Kalman est étudié pour suivre la trajectoire de l'intrus à partir des mesures de bruit des capteurs de mouvement à faible puissance afin d'activer uniquement les nœuds de capteurs visuels le long de la trajectoire de l'intrus pour fournir une surveillance vidéo efficace. Nous avons montré par simulation que le filtre de Kalman estime et prédit la trajectoire de l'intrus avec une précision raisonnable. De plus, l'approche de réseau hybride IoT proposée réduit considérablement la consommation d'énergie par rapport à un réseau de capteurs visuels à un seul niveau de surveillance continue traditionnelle et toujours active. Ensuite, la contribution de cette thèse se concentre sur un mécanisme de routage sensible à l'énergie et QoS pour le réseau de capteurs visuels multi-sauts basé sur IEEE 802.11 du réseau hybride IoT. Nous proposons un algorithme de routage qui route un ensemble de flux vidéo vers la passerelle avec une QoS garantie en termes de bande passante et de délai tout en minimisant le nombre de nœuds capteurs visuels impliqués dans le routage. Cela maximise le nombre de nœuds pouvant être complètement désactivés pour optimiser la consommation énergétique globale du réseau sans compromettre les performances QoS. Le problème de routage proposé est formulé comme un programme linéaire entier (ILP) et résolu à l'aide d'un algorithme branch-and-bound. Grâce à la simulation informatique, les performances de l'approche proposée sont comparées aux algorithmes de routage de pointe existants dans la littérature. Les résultats montrent clairement que le mécanisme proposé permet d'économiser une quantité significative de la consommation d'énergie globale tout en garantissant la QoS en termes de bande passante et de délai.

This thesis is focused on the use of timing speculation to improve the performance and energy efficiency of hardware accelerators. Timing speculation is the use of a circuit using a frequency or a voltage at which its operation is no longer guaranteed. It increases the performance of the circuit (computations per second) but also its energy efficiency (computations per joule). As the correct operation of the circuit is no longer guaranteed, it must be accompanied by an error detection mechanism. This mechanism must have the lowest possible additional cost in terms of resources used, energy and impact on performance. These overheads must indeed be low enough to make the approach worthwhile, but also be as low as possible to maximize the gain obtained. We present a new algorithm-level error detection mechanism for convolutions used in convolutional neural networks that meets these conditions. We show that combining this mechanism with timing speculation can improve the performance and energy efficiency of a convolution hardware accelerator.; Cette thèse porte sur l'utilisation de la spéculation temporelle pour améliorer les performances et l'efficacité énergétique d'accélérateurs matériels. La spéculation temporelle consiste en l'utilisation d'un circuit en utilisant une fréquence ou une tension à laquelle son fonctionnement n'est plus garanti. Elle permet d'augmenter les performances du circuit (calculs par seconde) mais aussi son efficacité énergétique (calculs par joule). Comme le fonctionnement du circuit n'est plus garanti, elle doit être accompagnée d'un mécanisme de détection d'erreur. Celui-ci doit avoir un coût en ressources utilisées, en énergie et un impact sur les performances les plus faibles possibles. Ces surcoûts doivent effectivement être suffisamment faibles pour que l'approche vaille le coup, mais aussi être le plus bas possible pour maximiser les gains obtenus. Nous présentons un nouveau mécanisme de détection d'erreur au niveau algorithmique pour les convolutions utilisées dans les réseaux de neurones convolutifs qui remplit ces conditions. Nous montrons que la combinaison de ce mécanisme avec la spéculation temporelle permet d'améliorer les performances et l'efficacité énergétique d'un accélérateur matériel de convolution.

Over the past two decades, the resilience of IT infrastructure such as data centers has become a major concern for IT giants such as Google or Amazon. Data centers powered by renewable energy have been proposed. But due to the intermittency of these energy alternatives, these platforms remain connected to the conventional power grid. The IT structure and electrical constraints have often been addressed separately, leading to an inefficient overall system. In this paper, a decarbonized energy self-sufficient data center is modeled and designed, proposing an electrically self-sufficient infrastructure including wind turbines, solar panels and short (batteries) and long term (hydrogen systems) storage devices. The dimensioning of such an infrastructure is one of the main issues of the DATAZERO2 project. This article shows how to reduce and fight over-sizing by questioning the impact of reducing computing or storage elements (servers and batteries) on the quality of service., Au cours des deux dernières décennies, la résilience des infrastructures informatiques telles que les centres de données est devenue une préoccupation majeure pour les géants de l'informatique comme Google ou Amazon. Des centres de données alimentés par des énergies renouvelables ont été proposés. Mais en raison de l'intermittence de ces alternatives énergétiques, ces plate-formes restent connectées au réseau électrique classique. La structure informatique et les contraintes électriques ont souvent été questionnées séparément, conduisant à un système global non efficace. Dans cet article, un centre de données décarboné auto-suffisant en énergie est modélisé et conçu, en proposant une infrastructure électriquement autonome comprenant des éoliennes, des panneaux solaires et des dispositifs de stockage à court (batteries) et à long terme (systèmes à hydrogène). Le dimensionnement d'une telle infrastructure est l'une des principales questions du projet DATAZERO2. Cet article montre comment réduire et combattre le surdimensionnement en questionnant l'impact de la réduction d'éléments de calcul ou de stockage (serveurs et batteries) sur la qualité de service.

Les travaux présentés portent sur une démarche de recherche de stratégies d’actions sur le plan énergétique pour assurer la rénovation thermique d’un bâtiment en phase d’exploitation. Nous évaluons les performances du bâti dans son environnement pour déterminer et phaser les actions à mener. Pour mieux comprendre les échanges d’énergie, il est nécessaire de maîtriser les ordres de grandeur des différents apports et consommations. Nous avons ainsi équipé les bâtiments existants d’une instrumentation peu intrusive et géolocalisée, en modifiant a minima les installations existantes.Des modèles multiphysiques de comportement thermique et les simulations associées, en préalable, permettent de tester et valider des stratégies.

Au cours des deux dernières décennies, la résilience des infrastructures informatiques telles que les centres de données est devenue une préoccupation majeure pour les géants de l'informatique comme Google ou Amazon. Des centres de données alimentés par des énergies renouvelables ont été proposés. Mais en raison de l'intermittence de ces alternatives énergétiques, ces plate-formes restent connectées au réseau électrique classique. La structure informatique et les contraintes électriques ont souvent été questionnées séparément, conduisant à un système global non efficace. Dans cet article, un centre de données décarboné auto-suffisant en énergie est modélisé et conçu, en proposant une infrastructure électriquement autonome comprenant des éoliennes, des panneaux solaires et des dispositifs de stockage à court (batteries) et à long terme (systèmes à hydrogène). Le dimensionnement d'une telle infrastructure est l'une des principales questions du projet DATAZERO2. Cet article montre comment réduire et combattre le surdimensionnement en questionnant l'impact de la réduction d'éléments de calcul ou de stockage (serveurs et batteries) sur la qualité de service.

The rise of machine learning techniques and algorithms and their use in a large variety of domains show often surprising capabilities -- in the interpretation of input data and the ability to build relevant abstract representations (e.g. supervised learning), but also in the dynamic control of complex systems (e.g. reinforcement learning).Optimizing the energy efficiency of computing systems has become a major issue. From hardware design to software control, different levers exist to act on the execution of calculations. We consider in this thesis the optimization of parallel computing, running on complex architectures, from multicore processors to computing clusters. These systems present a large number of design and control parameters, giving rise to a number of combinations often too large to be considered exhaustively.Thus, this thesis aims at using recent machine learning techniques, based on neural networks, to build solutions for the control and design of computing systems. These techniques can consider a significant set of parameters in order to propose optimal solutions. The proposed techniques are intended to be multi-level and can therefore be applied to embedded systems or various sub-components but also at the scale of a distributed system, such as a computing cluster. Promising solutions are proposed along two distinct research axes. The first axis addresses the dynamic control of parallel computing. It deals with the real-time optimization of the energy efficiency of a system running an application parallelized with OpenMP. Among others, a control based on reinforcement learning is proposed. The second axis concerns the design of optimized communication networks. Indeed, communication networks represent a significant part of the energy consumption of computing systems. Thus, we propose a design tool based on generative AI, for the generation of optimized networks according to user criteria such as energy efficiency.; L’essor des techniques et algorithmes d’apprentissage (i.e. Machine Learning) et leur utilisation dans des domaines de plus en plus variés montrent des capacités souvent surprenantes -- dans l’interprétation des données d’entrée et la capacité de construire des représentations abstraites pertinentes (e.g. apprentissage supervisé), mais aussi dans le contrôle dynamique de systèmes complexes (e.g. apprentissage par renforcement).L'optimisation de l'efficacité énergétique des systèmes de calcul est devenue un enjeu majeur. De la conception matérielle au contrôle logiciel, différents leviers existent pour agir sur l'exécution de calculs. Nous considérons dans cette thèse l'optimisation du calcul parallèle, s'exécutant sur des architectures complexes, du processeur multicœur au cluster de calcul. Ces systèmes possèdent un nombre de paramètres de conception et de contrôle important, donnant lieu à un nombre de combinaisons souvent trop large pour pouvoir être considérées de façon exhaustive.Ainsi, cette thèse a pour objectif de s'appuyer sur les techniques d'apprentissage automatique récentes, basées sur les réseaux de neurones, pour construire des solutions de contrôle et de conception de systèmes de calcul. Ces techniques peuvent considérer un ensemble significatif de paramètres afin de proposer des solutions optimales. Les techniques proposées ont vocation à être multi-niveaux et pourront à ce titre être appliquées à l’échelle d’un système embarqué ou de ses divers sous-composants mais aussi à l’échelle d'un système distribué, comme par exemple un cluster de calcul. Des solutions prometteuses sont proposées selon deux axes de recherche distincts. Le premier axe s'adresse au contrôle dynamique du calcul parallèle. Il est question de l'optimisation en temps réel de l'efficacité énergétique d'un système exécutant une application parallélisée avec OpenMP, à l'aide, entre autres, d'un apprentissage par renforcement. Le deuxième axe concerne la conception de réseaux de communication optimisés. En effet, les réseaux de communication représentent une part non négligeable de la consommation énergétique des systèmes de calcul. Ainsi nous proposons un outil d'aide à la conception basé sur une IA générative, pour la génération de réseaux optimisés selon des critères utilisateurs tels que l'efficacité énergétique.

The problem of urban traffic management for improved environmental sustainability is addressed. The objective is to reduce the energy consumption (electricity or fuel), as well as the emission of pollutants, without deteriorating the traffic performance. Traffic eco-management strategies, which are greatly enhanced by the development of connected and automated vehicles, can correspond either to the control of vehicles or infrastructures.The vehicle-side control includes motion planning (or eco-driving), route planning (or eco-routing), as well as cooperative control designs. The higher the level of connectivity, the larger the environmental benefits of such algorithms. Additionally, autonomous vehicles open the door to vehicles cooperation because of their more precise positioning and control, i.e. vehicles that coordinate their movements by communicating within each others and with the infrastructure. This includes vehicle platooning, cooperative adaptive cruise control (CACC), lane changing and merging control, and cooperative intersection control.The infrastructure-side control corresponds to the dynamic management of road-based flow regulation actuators such as speed limits and traffic light signals duty cycles and offsets. Its objective is to reduce the total pollutant emissions and energy consumption in the network by influencing the vehicular flow as a whole. In practice, such approaches consist in collecting data from vehicles traveling in the road network (vehicle density, traffic flow, average speed, etc.). Then, algorithms are used to predict and optimize the state of traffic. In this work, we choose to focus on the infrastructure-side control.The contributions of this work to traffic ecological management may be summarized as follows.Firstly, a formalization of a macroscopic traffic model adapted to the urban environment is proposed. It includes a methodology for treating intersections with traffic light signals. To estimate the fuel consumption, this traffic model is associated with a macroscopic model based on an artificial neural network (ANN). The latter is calibrated using a microscopic physical energy model and data provided by a microscopic traffic simulator parameterized in order to be compliant with real-world urban Floating Car Data (FCD). Macroscopic models are preferred for large-scale control because they are much faster to compute when the number of vehicles is large. They also have the advantage of considering the overall energy efficiency, which is the metric of interest for road network managers when it comes to traffic eco-management.Then, experiments are conducted in order to evaluate the relationship between congestion and vehicles' energy efficiency, especially at steady state. The impact of various speed limits are analyzed for different scenarios. Speed limits directly impact energy consumption and pollutant emissions as they affect the accelerations and average speeds through the network.Finally, a control design comparing variable speed limits (VSL) and signalized access control is proposed for improved environmental sustainability and traffic performance both in a synthetic urban area and in the peri-urban area at its boundaries. The traffic system is modeled using the microscopic traffic simulator SUMO, and a physical fuel consumption and NOx emission model is used. Speed limits are controlled in closed loop through a nonlinear model predictive control (NMPC) approach, in which the traffic evolution and the fuel consumption are predicted with macroscopic models. The results reveal that in transient phases between different levels of congestion, the closed-loop controller is faster to decongest the network, in an energy-efficient way, resulting in an improvement of the environmental sustainability and the traffic performance both in the controlled network, and at its boundary roads., Cette thèse aborde le sujet de la gestion écologique du trafic urbain. L'objectif est de réduire la consommation d'énergie et les émissions de polluants, sans détériorer les performances du trafic. Les stratégies d'éco-gestion, fortement valorisées par le développement des véhicules connectés et autonomes, peuvent correspondre au contrôle des véhicules, ou à celui des infrastructures.Le contrôle des véhicules comprend la planification de mouvement (ou eco-driving), d'itinéraire (ou eco-routing), ainsi que le contrôle coopératif. Plus le niveau de connectivité est élevé, plus les avantages environnementaux de ces algorithmes sont grands. De plus, les véhicules autonomes offrent de nouvelles perspectives en terme de coopération, en raison de leur commande plus précise. En pratique, cela correspond à des véhicules qui coordonnent leurs mouvements en communiquant entre eux et avec l'infrastructure.Le contrôle des infrastructures correspond à la gestion dynamique d'actionneurs de régulation de flux tels que les limitations de vitesse et les feux de signalisation. Son objectif est de réduire les émissions et consommation totales en influant sur les flux de véhicule. En pratique, de telles approches consistent à collecter les données des véhicules circulant dans le réseau routier (densité de véhicules, flux, vitesse moyenne). Ensuite, des algorithmes sont utilisés pour prédire et optimiser l'état du trafic. Dans ce travail, nous avons choisi de nous concentrer sur le contrôle des infrastructures.Les contributions de cette thèse à la gestion écologique du trafic peuvent être résumées comme suit.Dans un premier temps, la formalisation d'un modèle de trafic macroscopique adapté au milieu urbain est proposée. Il comprend une méthodologie pour traiter les intersections avec des feux de signalisation. Pour estimer la consommation de carburant, ce modèle de trafic est associé à un modèle macroscopique basé sur un réseau de neurones artificiels (ANN). Ce dernier est calibré à l'aide d'un modèle d'énergie physique microscopique et de données fournies par un simulateur de trafic paramétré avec des données urbaines de Floating Car Data (FCD). Les modèles macroscopiques sont préférés pour le contrôle à grande échelle car ils sont plus rapides lorsque le nombre de véhicules considérés est grand. Ils ont également l'avantage de considérer l'efficacité énergétique globale, qui est la métrique d'intérêt pour les gestionnaires de réseaux routiers en matière d'éco-gestion du trafic.Ensuite, des expériences sont menées afin d'évaluer la relation entre congestion et efficacité énergétique, notamment en régime permanent. L'impact des limitations de vitesse est analysé pour différents scénarios. Les limitations de vitesse impactent directement la consommation d'énergie et les émissions polluantes car elles affectent les accélérations et les vitesses moyennes sur le réseau.Enfin, un contrôleur est paramétré afin de comparer l'impact du contrôle dynamique des limitations de vitesse avec le contrôle d'accès à une zone urbaine, à la fois dans une zone contrôlée mais aussi dans la zone périurbaine à sa frontière. Le système est simulé à l'aide du simulateur de trafic SUMO, et un modèle physique de consommation de carburant et d'émission de NOx est utilisé. Les limitations de vitesse sont contrôlées en boucle fermée grâce à une approche de commande prédictive non linéaire (NMPC), dans laquelle l'évolution du trafic et la consommation de carburant sont prédites à l'aide de modèles macroscopiques. Les résultats révèlent que dans les phases transitoires entre différents niveaux de congestion, le contrôleur en boucle fermée est plus rapide pour décongestionner le réseau, de manière économe en énergie. Cela améliore la durabilité environnementale et les performances de trafic à la fois dans le réseau contrôlé, mais aussi au niveau de ses routes frontalières.

GECCO 2021, Genetic and Evolutionary Computation Conference Companion, Lille , FRANCE, 10-/07/2021 - 14/07/2021; Traffic perturbations in railway systems may give rise to conflicts, which cause delays w.r.t. the timetable. Dealing with them requires solving the real-time Rail Traffic Management Problem (rtRTMP). A subproblem of the rtRTMP is the real-time Energy Consumption Minimization Problem (rtECMP). It defines the speed profiles along with the timing of multiple trains in a given network and time horizon. It takes as input the train routing and precedences computed by a rtRTMP solver and its objective is to minimize the weighted sum of train energy consumption and total delay. In this paper, we propose an Ant Colony Optimization algorithm for the rtECMP and we test it on the French Pierrefitte-Gonesse control area with dense mixed traffic. The results show that, in 30 seconds, a remarkable exploration of the search space is performed before convergence.

The demand for computing power steadily increases to enable new and more intelligent functionalities in our current technology. The combined computing power of mobile systems such as phones, drones, autonomous vehicles and embedded systems increases rapidly, but each system has a limited power budget. Efficient computation is thus of utmost importance. For the past decades we have relied on the growing amount of transistors per unit area to keep up with computing demand while keeping power consumption in check, but this trend is declining as transistor sizes are reaching physical limits. While architecture improvements stagnate, we find ourselves in the early stages of creating intelligent systems, which raises the question how current system can scale and which makes the exploration of alternative computing principles worth wile. This thesis examines the role of new bio-inspired computation paradigms for low-power computation, to drive a future generation of intelligent systems. Neuromorphic computing is an emerging interdisciplinary field that looks at biological systems such as the retina or the brain for inspiration on how to compute efficiently. From that it is possible to create sensors, algorithms and hardware that process information much closer to how the biological model works than current conventional computer architecture.We examine how neuromorphic cameras, algorithms and hardware can gradually replace conventional components to make the system overall use less power. We approach the issue through the lens of efficiency, and propose an event-based face detection algorithm, a framework that brings event-based computer vision to mobile devices with optimised hardware and methods based on precise timing for spiking neural networks on neuromorphic hardware. In this attempt we bring technology into being that starts to resemble the organic counterpart, to show the capabilities of brain-inspired computing., La demande en puissance de calcul augmente régulièrement pour permettre de nouvelles fonctionnalités plus intelligentes au vu de la technologie actuelle. La puissance de calcul disponible des systèmes mobiles tels que les téléphones, les drones, les véhicules autonomes et les systèmes embarqués augmente rapidement, mais chaque système a un budget limité. Le calcul efficace est donc de la plus haute importance. Au cours des dernières décennies, nous nous sommes appuyés sur la densité croissante de transistors integrés dans un processeur, pour répondre à la demande en puissance de calcul tout en maîtrisant la consommation d'énergie, mais cette tendance diminue à mesure que les tailles des transistors atteignent leurs limites physiques. Alors que les améliorations de l'architecture stagnent, nous nous trouvons dans les premières étapes de la création de systèmes intelligents, ce qui rend l'exploration de principes de calcul alternatifs indispensable. Cette thèse examine le rôle des nouveaux paradigmes de calcul bio-inspirés permettant le calcul à faible coût indispensable à la conception de la future génération de systèmes intelligents. Le calcul neuromorphique est un domaine interdisciplinaire émergent qui s'inspire des systèmes biologiques tels que la rétine ou le cerveau pour calculer efficacement. À partir de là, il est possible de créer des capteurs, des algorithmes et du matériel qui traitent les informations de façon bio-inspirée. Nous examinons comment les caméras neuromorphiques, les algorithmes et ainsi que le matériel peuvent remplacer progressivement les composants conventionnels pour arriver à un système moins gourmand en énergie. Nous abordons le problème à travers le prisme de l'efficacité et proposons un algorithme bio-inspiré de détection de visage, puis un cadriciel permettant de développer des algorithmes neuromorphiques sur des smartphones. Enfin nous proposons de porter des méthodes basées sur la précision temporelle dans les réseaux de neurones impulsionnels sur du matériel neuromorphique. Avec cette tentative, nous apportons une technologie qui commence à ressembler à la contrepartie organique, pour montrer les capacités de l'informatique inspirée du cerveau.

The demand for computing power steadily increases to enable new and more intelligent functionalities in our current technology. The combined computing power of mobile systems such as phones, drones, autonomous vehicles and embedded systems increases rapidly, but each system has a limited power budget. Efficient computation is thus of utmost importance. For the past decades we have relied on the growing amount of transistors per unit area to keep up with computing demand while keeping power consumption in check, but this trend is declining as transistor sizes are reaching physical limits. While architecture improvements stagnate, we find ourselves in the early stages of creating intelligent systems, which raises the question how current system can scale and which makes the exploration of alternative computing principles worth wile. This thesis examines the role of new bio-inspired computation paradigms for low-power computation, to drive a future generation of intelligent systems. Neuromorphic computing is an emerging interdisciplinary field that looks at biological systems such as the retina or the brain for inspiration on how to compute efficiently. From that it is possible to create sensors, algorithms and hardware that process information much closer to how the biological model works than current conventional computer architecture.We examine how neuromorphic cameras, algorithms and hardware can gradually replace conventional components to make the system overall use less power. We approach the issue through the lens of efficiency, and propose an event-based face detection algorithm, a framework that brings event-based computer vision to mobile devices with optimised hardware and methods based on precise timing for spiking neural networks on neuromorphic hardware. In this attempt we bring technology into being that starts to resemble the organic counterpart, to show the capabilities of brain-inspired computing.; La demande en puissance de calcul augmente régulièrement pour permettre de nouvelles fonctionnalités plus intelligentes au vu de la technologie actuelle. La puissance de calcul disponible des systèmes mobiles tels que les téléphones, les drones, les véhicules autonomes et les systèmes embarqués augmente rapidement, mais chaque système a un budget limité. Le calcul efficace est donc de la plus haute importance. Au cours des dernières décennies, nous nous sommes appuyés sur la densité croissante de transistors integrés dans un processeur, pour répondre à la demande en puissance de calcul tout en maîtrisant la consommation d'énergie, mais cette tendance diminue à mesure que les tailles des transistors atteignent leurs limites physiques. Alors que les améliorations de l'architecture stagnent, nous nous trouvons dans les premières étapes de la création de systèmes intelligents, ce qui rend l'exploration de principes de calcul alternatifs indispensable. Cette thèse examine le rôle des nouveaux paradigmes de calcul bio-inspirés permettant le calcul à faible coût indispensable à la conception de la future génération de systèmes intelligents. Le calcul neuromorphique est un domaine interdisciplinaire émergent qui s'inspire des systèmes biologiques tels que la rétine ou le cerveau pour calculer efficacement. À partir de là, il est possible de créer des capteurs, des algorithmes et du matériel qui traitent les informations de façon bio-inspirée. Nous examinons comment les caméras neuromorphiques, les algorithmes et ainsi que le matériel peuvent remplacer progressivement les composants conventionnels pour arriver à un système moins gourmand en énergie. Nous abordons le problème à travers le prisme de l'efficacité et proposons un algorithme bio-inspiré de détection de visage, puis un cadriciel permettant de développer des algorithmes neuromorphiques sur des smartphones. Enfin nous proposons de porter des méthodes basées sur la précision temporelle dans les réseaux de neurones impulsionnels sur du matériel neuromorphique. Avec cette tentative, nous apportons une technologie qui commence à ressembler à la contrepartie organique, pour montrer les capacités de l'informatique inspirée du cerveau.

The wireless sensor networks have become more and more ubiquitous in our daily life due to their wide range of applications. The performance of these networks depends on the quality of their sensors. Despite their limited resources and their short life spans conditioned by an exhaustible power supply, the sensors indicated have become essential in the design of networks for the detection of environmental events. Energy efficiency therefore remains to be developed in this type of application. This is because much of the energy is dissipated when routing data between nodes, especially in wide area networks. Several protocols are invested to solve this problem. Most of them are based on hierarchical routing. This is based on the clustering of network nodes. Each cluster contains member nodes and a leader called a Cluster Head. His role is to manage his group. The work in this thesis consists in improving the energy efficiency of large, homogeneous or heterogeneous networks. In fact, the deployment method has been modified so that it is in levels, which makes a large number of the clusters heads to be close to the base station and vice versa. This has a considerable impact on the performance of the LEACH and HEED protocols. The method of electing clusters heads adopted in the LEACH and Fuzzy LEACH protocols has also been improved by taking into account the distance between each node and the base station. The one among the members of a group who has the minimum distance will be elected as a cluster head., Grâce à leur large champ d’applications, les réseaux de capteurs sans fil, sont devenus de plus en plus omniprésents dans notre vie quotidienne. Les performances de ces réseaux dépendent de la qualité des capteurs de chacun d’eux. Malgré leurs faibles ressources et leurs courtes durées de vie conditionnées par une alimentation épuisable, les capteurs indiqués sont devenus indispensables dans la conception des réseaux de détection des évènements environnementaux. L’efficacité énergétique reste donc à développer dans ce type d’applications. Car, une grande partie de l’énergie se dissipe lors du routage des données entre les nœuds notamment dans les réseaux étendus. Plusieurs protocoles sont investis pour résoudre ce problème. La plupart d’entre eux se basent sur le routage hiérarchique. Celui-ci est basé sur le groupement en clusters des nœuds du réseau. Chaque cluster contient des nœuds membres et un chef appelé Cluster Head. Son rôle est de gérer son groupe. Le travail dans cette thèse consiste à améliorer l’efficacité énergétique des réseaux de grandes dimensions, homogènes ou hétérogènes. En effet, on a modifié la méthode déploiement pour qu’elle soit en niveaux ce qui rend un grand nombre des chefs des groupes élus, proches de la station de base et vis-versa. Ceci a un impact sur la performance des protocoles LEACH et HEED. On a amélioré aussi la méthode d’élection des chefs des groupes adoptée dans les protocoles LEACH et Fuzzy LEACH en tenant compte de la distance entre chaque nœud et la station de base. Celui parmi les membres d’un groupe qui a la distance minimale, va être élu comme un chef de groupe.

In France, the building sector is responsible for 46% of final energy consumption and 25% of greenhouse gas emissions. France is committed to reducing final energy consumption by 2050 through extensive energy renovation, the deployment of technologies that promote energy efficiency and low- carbon energy sources for heating and hot water production, and the widespread use of solutions to control electricity consumption.ENERGY-EFFICIENT building's feedback highlights the difference in energy consumption between predictions and on-site measurements, as well as overheating in summer. According to the scientific community, although multiple factors can explain these differences, the occupant seems to be the most influential factor through his actions on the indoor temperature set point and the management of shutters and openings.The aim of this study is analyzing the impact of the real individual behavior on an experimental building by evaluating the thermal comfort and the energy performance of the energy consuming and producing equipment’s installed in the building. The object of study is an experimental building of 20 m² located within the IUT of Nîmes, strongly instrumented and equipped with an electro solar tank, a reversible water-air heat pump, a double flow controlled mechanical ventilation and six photovoltaic panels. Several techniques and protocols are used to control the equipment and acquire data. The different instrumentation and acquisition systems allow the building’s energetic characterization in its globality and at the level of each equipment.The energy performances of the air-water heat pump, double flow mechanical ventilation, solar storage tank and photovoltaic installation are evaluated monthly and compared with those given by the manufacturers.The analysis of the building’s energy consumption is carried out over the full year 2020 under local climatic conditions acquired by a weather station installed on site and on the behavior actions of interior temperature set point and shutters management. Weekly energy balances are made based on simulated scenarios of user behavior expert or counterproductive.The building dynamic thermal simulations undertaken by the Pleiades tool, validated by the in-situ analyses, made it possible to compare the conventional scenarios of the RT 2012 with the real scenarios both meteorological and user behavioral on the building’s annual energy consumption., En France, le secteur du bâtiment est responsable de 46% de la consommation d'énergie finale et de 25% des émissions de gaz à effet de serre. À ce titre, la France s’est engagée pour la baisse de la consommation d’énergie finale à l’horizon 2050 par une rénovation énergétique profonde, un déploiement de technologies favorisant l’efficacité énergétique et des sources d’énergie décarbonées pour le chauffage et la production d’eau chaude sanitaire, et de la généralisation de solutions permettant de maîtriser la consommation d’électricité.Le retour d'expérience des bâtiments écoénergétiques met en évidence la différence de consommation d'énergie entre les prévisions et les mesures sur site, ainsi que la surchauffe en été. Selon la communauté scientifique, bien que de multiples facteurs puissent expliquer ces différences, l'occupant semble être le facteur le plus influent par ses actions sur la température intérieure de consigne et la gestion des volets et des ouvrants.Le but de cette étude est d'analyser l’impact de comportement de l’individu réel sur un bâtiment expérimental en évaluant le confort thermique et la performance énergétique des postes consommateurs et producteurs d’énergies installés dans le bâtiment. L’objet d’étude est un bâtiment expérimental de 20 m² situé au sein de l'IUT de Nîmes, fortement instrumenté et équipé d’un ballon électro solaire, d’une pompe à chaleur air-eau réversible, d’une ventilation mécanique contrôlée double flux et des six panneaux photovoltaïques. Plusieurs techniques et protocoles sont utilisés pour contrôler l'équipement et acquérir des données. Les différents systèmes d’instrumentation et d’acquisition permettent de caractériser énergétiquement le bâtiment dans sa globalité mais aussi au niveau de chaque équipement.Les performances énergétiques de la pompe à chaleur air-eau, de la ventilation mécanique contrôlée double flux, du ballon électro solaire et de l’installation photovoltaïque sont évaluées mensuellement et confrontées à celles données par les constructeurs.L’analyse des consommations énergétiques du bâtiment est effectuée sur l’année complète 2020 sous les conditions climatiques locales acquises par une station météo installée sur site et d’actions de particulières de l’usager sur la température intérieure de consigne et la gestion des volets. Des bilans énergétiques hebdomadaires sont réalisés sur la base de scénarios de comportements simulés de l’usager expert ou contreproductif.Les simulations thermiques dynamiques du bâtiment entreprises par l’outil Pleiades, validée par les analyses in-situ, ont permis de confronter les scénarios conventionnels de la RT 2012 avec les scénarios réels tant météorologiques que comportementaux de l’usager sur les consommations énergétiques annuelles du bâtiment.

CETRA 2020, 6th International Conference on Road and Rail Infrastructure - Online, Pula, CROATIE, 20-/05/2021 - 21/05/2021; Energy consumed by road vehicles has a high impact on climate changes; indeed this energy use accounts for 23% of total energy-related Green House Gases (GHG) emissions of 2014 global GHG emissions. GHG emissions are growing constantly year after year, in spite of global objectives (COP) and researches on vehicle efficiency and modal shift. The contribution of the infrastructure to lower this energy is less studied, since it is often seen as immuable or too costly. This paper aims to demonstrate that simple and low-cost solutions exist for that purpose. Particularly a methodology has been developed, based on an optimization of the speed layout over an itinerary in order to improve the eco-driving potential of a given road infrastructure. The key point of this work is that inconsistency often exists between vehicle dynamics, road longitudinal profile and changes in regulation speeds. These changes in speed are defining the speed-sectioning of a route, and an optimization of this speed-sectioning can be easily carried out while displacing or modifying speed signs. The objective of this study is to build an optimized speed sectioning which minimizes the fuel consumption for realistic traffic and various driver behaviours, while maintaining the required safety levels. A progressive optimization loop has been worked out with a Python script including an embedded microscopic road traffic simulator. As a result an optimized speed-sectioning is leading to a gain of 227 ml for 60 minutes of simulated flow of 100 veh/h/lane, for a modification of a single speed changing point. The overall benefits are reduced energy consumption, air pollution and noise which otherwise would have been produced by braking. This work brings an effective optimization tool for road managers and its practical application is passive and inexpensive. This methodology is suitable for rural and urbanized territories and easily adaptable to any type of traffic in various countries. In perspectives, the optimization process could be extended to a full road route and to a wide range of different speed-sectioning layouts.

International audience; Les questions environnementales sont au cœur des préoccupations de notre société. L’agence américaine d’information sur l’énergie prévoit une importante augmentation de la consommation énergétique d’ici 2050 et précise que l’industrie en est le plus gros consommateur [1]. La consommation énergétique par les systèmes manufacturiers est donc un enjeu majeur. Trois mesures sont utilisées pour la consommation énergétique des systèmes de production : la consommation totale d’énergie, le pic de puissance et le coût de l’énergie. Dans ce travail, nous considérons cette dernière mesure, pour laquelle le prix de l’énergie varie au cours du temps par périodes (Time-Of-Use pricing).Par ailleurs, la demande client subit de fortes variations, imposant aux systèmes de production de s’adapter rapidement, tout en restant compétitifs. Les systèmes manufacturiers reconfigurables (RMS de l’anglais Reconfigurable Manufacturing Systems) ont été introduits dans [2] afin de répondre à cette problématique. Les RMS sont généralement composés de stations sur lesquelles plusieurs ressources peuvent travailler en parallèle. Les pièces produites se déplacent de manière cadencée entre ces stations par un convoyeur ou un portique. Selon [3], la caractéristique la plus importante pour l’efficacité des RMS pourrait être la scalabilité, qui consiste à pouvoir ajouter ou enlever des ressources pour adapter la production. Au delà de l’adaptation aux évolutions de la demande, la scalabilité des RMS peut aussi permettre de mieux gérer les variations du prix de l’énergie. En effet, une configuration peu consommatrice d’énergie mais peu productive peut être utilisée dans des périodes où l’énergie est coûteuse, et une configuration plus productive et plus consommatrice peut être employée sur des périodes où l’énergie est moins coûteuse. Notre étude propose d’utiliser la scalabilité comme un outils pour minimiser le coût de l’énergie.

A significant amount of energy consumption in buildings is due to heating, ventilation and air-conditioning systems. Among other systems, refrigeration plants are subject of efficiency improvements. However, actual operating conditions of such plants and the performance must be known as well as any eventual optimization potential identified before enhancements can take place. Energy and exergy analyses have been widely used to assess the performance of refrigeration systems. Among others, exergy efficiency is used as an indicator to determine the system performance; however, the practical achievable values are unknown. Therefore, this work proposes a practice-oriented evaluation method for refrigeration plants, based on exergy analysis and technical standards as baseline. The identification of possible enhancements is highly relevant in practice, as measures which improve the system effectiveness most likely prevent frequent shortcomings during refrigeration plant operation. With the introduced optimization potential index (OPI), the achievable enhancements compared to the state of the art in technology and the performance are identified at a glance regardless the complexity of the system. By dividing the plant into different subsystems, each of them can be assessed individually. Laypersons can easily determine the system operating state and subsequently, if needed, initiate a detailed analysis as well as appropriate countermeasures by specialist. Moreover, modeling is seen as an appropriate method to determine additional reference values for refrigeration machines if none are available according to technical standards. Among different modeling techniques, artificial neural network models reveal the best performance for the present application. The application, functionality and purpose of the presented method is exemplified on two numerical test cases and on a real field plant as a case study. The investigation reveals an adequate operation of the studied field plant in general, where three out of seven cooling locations have performance issues. The reason should be identified in a subsequent detailed study. Overall, the auxiliary electrical exergy input shows the same magnitude as the thermal exergy input. This emphasizes the importance of minimizing the electrical energy usage, as it is the main overhead in the operating cost of refrigeration plants and also to achieve an increase in system performance. Moreover, measuring concepts of real systems are analyzed and the corresponding retrofitting costs for the application of the presented approach are identified. It is shown that a retrofit of the instrumentation can be worthwhile if the refrigeration plant already comprises a measuring concept close to the state of the art., Une grande partie de la consommation d'énergie dans les bâtiments est due aux systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation. Entre autres systèmes, les systèmes de réfrigération font l'objet de mesures d'amélioration de l'efficacité. Néanmoins, les conditions opérationnelles réelles de ces installations et leurs performances doivent être connues, ainsi que tout potentiel d'optimisation éventuel, avant que des améliorations puissent être réalisées. Les analyses exergétique et énergétiques ont été largement utilisées pour évaluer la performance des systèmes de réfrigération. Entre autres, l'efficacité exergétique est utilisée comme indicateur pour déterminer la performance du système, mais les valeurs réalisables dans la pratique sont inconnues. Par conséquence, ce travail propose une méthode d'évaluation pratique des systèmes de réfrigération basée sur une analyse exergétique et des normes techniques comme base de référence. L'identification des améliorations possibles est pertinente dans la pratique, car les mesures qui améliorent l'efficacité du système permettent probablement d'éviter de fréquentes déficiences pendant l'usage. Avec l'optimization potential index (OPI) introduit dans cet ouvrage, les améliorations réalisables par rapport à l'état de l'art de la technologie et la performance sont identifiées d'un seul coup d’œil, quelle que soit la complexité du système. En divisant l'installation en sous-systèmes, chacun peut être évalué individuellement. Les non-spécialistes peuvent facilement déterminer l'état de fonctionnement du système et ensuite, si nécessaire, lancer une analyse détaillée ainsi que des contre-mesures appropriées. De plus, la modélisation est considérée comme une méthode appropriée pour déterminer des valeurs de référence. Parmi les différentes techniques, les modèles artificial neural network révèlent les meilleures performances pour l'application présentée. L'application, la fonctionnalité et l'objectif de la méthode présentée sont illustrés par deux cas numériques et sur une installation réelle. La recherche révèle un fonctionnement approprié de l'installation étudiée en général, où trois des sept espaces conditionnés ont des problèmes de performance. La raison devrait être identifiée dans une étude détaillée ultérieure. Dans l'ensemble, l'apport d'exergie électrique auxiliaire est du même ordre que l'apport d'exergie thermique. Cela souligne l'importance de réduire la consommation d'énergie électrique au minimum, car elle constitue le facteur principal dans le coût d'exploitation des installations de réfrigération et permet également d'augmenter la performance du système. En outre, les concepts de mesure des systèmes réels sont analysés et les coûts de mise à jour correspondants pour l'application de l'approche présentée sont identifiés. Il est démontré qu'une mise à jour de l'instrumentation peut être rentable, si l'installation frigorifique comprend déjà un concept de mesure proche de l'état de la art.

The Narrowband-Internet of Things (NB-IoT) is one of the leading licensed Low Power Wide Area Networks (LPWANs) that is expected to play a very important role in connecting the exponentially increasing number of connected devices that make up the Internet of Things (IoT). To enable its network scalability, NB-IoT requires more efficient utilization of its limited energy, channel capacity, and spectrum network resources. These characteristics place various constraints in terms of the design of the physical (PHY) channel coding and spectrum access as well as the network layer protocol for the NB-IoT. A few existing channel coding approaches have been proposed to enhance the NB-IoT’s network reliability, and therefore, enable long-distance transmissions. However, most of the existing NB-IoT channel coding approaches are based on repeating transmission data and control signals and do not consider the channel conditions. Although these repetitions ensure network reliability, they are energy expensive and compromise the performance of the data rate of the network. At the same time, the increasing number of devices to be handled by a single Base Station (BS) within a cell increases the probability for interlink interference which compromises the uplink communication reliability, further increases the number of required data transmission repetitions, and therefore, reduces the overall energy efficiency of the network. To mitigate these identified problems, a multi-layer approach is proposed in this study. Firstly, a channel-aware two-dimensional Energy-Efficient Adaptive Channel Coding (EEACC) approach is considered at the PHY layer. The EEACC not only selects an appropriate modulation coding scheme (MCS) based on the estimated channel conditions (dynamically classified as bad, medium or good based on a periodically assessed BLER performance outcome) but also minimizes the transmission repetition number under a pre-assessed probability of successful transmission. Secondly, at the PHY and network layers, the study considers a two-layers NB-IoT mixed spread spectrum and clustering approach with network coding (N-MANC). At one layer, the approach uses an Adaptive Frequency Hopping Spread Spectrum (AFHSS) technique that uses a lightweight and secure pseudo-random sequence with a varying period T depending on the number of NB-IoT nodes in the considered cell to exploit the channel diversity as a way to mitigate inter-link and cross-technology interference. At the second layer, the mixed approach consists of a cooperative clustering approach based on a defined energy-signal strength gradient used for Cluster Head (CHs) selection, and a network coding (data aggregation) to further boost the overall energy efficiency of the network. A systematic mathematical model of the NB-IoT PHY layer is first developed and modelled. Then, the proposed algorithms are implemented and validated in MATLAB. The obtained simulation results demonstrate that the important QoS metrics such as energy efficiency, network reliability, data rate, transmission latency, network scalability, and lifetime are improved by the proposed algorithms when compared to existing approaches., L'Internet des objets à bande étroite (NB-IoT) est l'un des principaux réseaux étendus à basse consommation énergétique (LPWAN) dans la bande des fréquences sous licence d’utilisation, qui devrait jouer un rôle très important dans la connexion du nombre exponentiellement croissant d'objets connectés qui composent l'Internet des objets (IoT). Pour permettre l'évolutivité de son réseau, la NB-IoT nécessite une utilisation plus efficace de son énergie limitée, de la capacité de ses canaux et des ressources du spectre du réseau. Ces caractéristiques créent ainsi diverses contraintes en termes de conception du codage physique des canaux (PHY) et de l'accès au spectre ainsi que du protocole de la couche réseau pour l'Internet des objets. Quelques approches de codage de canal existantes ont été proposées pour améliorer la fiabilité du réseau de la NB-IoT et permettre ainsi les transmissions à longue distance. Cependant, la plupart des approches de codage de canal existantes de la NB-IoT sont basées sur la répétition des données de transmission et des signaux de contrôle et ne tiennent pas compte des conditions du canal. Bien que ces répétitions assurent la fiabilité du réseau, elles sont coûteuses en énergie et compromettent les performances du réseau en matière de débit de données. En même temps, le nombre croissant de dispositifs devant être traités par une seule station de base (BS) au sein d'une cellule augmente la probabilité d'interférences entre les liaisons, ce qui compromet la fiabilité de la communication sur la liaison montante, augmente encore le nombre requis de répétitions de transmission de données et, par conséquent, réduit l'efficacité énergétique globale du réseau. Pour pallier ces divers problèmes identifiés, une approche multicouche est proposée dans cette thèse. Tout d'abord, une approche bidimensionnelle de codage de canal adaptatif économe en énergie (EEACC) est proposée au niveau de la couche PHY. L'EEACC ne se contente pas de sélectionner un schéma de codage de modulation (MCS) approprié en fonction des conditions estimées du canal (classé dynamiquement comme mauvais, moyen ou bon sur la base d'un résultat de performance BLER évalué périodiquement), mais il minimise également le nombre de répétitions de transmission en fonction d'une probabilité préévaluée de réussite de la transmission. Deuxièmement, en ce qui concerne les couches PHY et réseau, l'étude développe une approche à deux couches NB-IoT `a étalement mixte du spectre et à regroupement avec codage du réseau (N-MANC). Sur une couche, l'approche utilise une technique d'étalement du spectre par saut de fréquence adaptative (AFHSS) qui utilise une séquence pseudo-aléatoire légère et sûre avec une période variable T selon le nombre de nœuds NB-IoT dans la cellule considérée pour exploiter la diversité des canaux comme moyen d'atténuer les interférences entre les liaisons et les technologies croisées. A la deuxième couche, l'approche mixte consiste en une approche de regroupement coopérative basée sur un gradient de force du signal énergétique défini utilisé pour la sélection des têtes de grappe (CHs), et un codage du réseau (agrégation de données) pour stimuler davantage l'efficacité énergétique globale du réseau. Un modèle mathématique systématique de la couche PHY du NB-IoT est d'abord développé et modélisé. Ensuite, les algorithmes proposés sont mis en œuvre et validés utilisant les simulations MATLAB. Les résultats de simulation obtenus montrent que les algorithmes proposés améliorent les paramètres importants de la qualité de service (QoS), tels que l'efficacité énergétique, la fiabilité du réseau, le débit de données, la latence de transmission, l'extensibilité du réseau et la durée de vie, par rapport aux approches existantes.

CETRA 2020, 6th International Conference on Road and Rail Infrastructure - Online, Pula, CROATIE, 20-/05/2021 - 21/05/2021; In a context of climate change, lowering road vehicles consumption is a key point to meet CO2 reduction requirements. In addition to car technological advances, eco-driving is part of the solution but the road infrastructure should ensure its development. In a previous study, a gain of 5% in the spent energy was estimated on specific route by slightly moving some speed signs, but under the assumptions that drivers practice eco-driving and the traffic is free-flow. This paper deepens and widens these first results. The base of this research is to provide a simulation model to study the impact of traffic and speed-sectioning on the environment. Inside this model, the impact of different approach speeds to a speed-sectioning is assessed. The simulation is conducted within the Trafficware Synchro environment where parameters according to road infrastructure, vehicle and driver are based on real traffic data. Moving a speed limitation sign can contribute to a reduction of fuel consumption up to 8% depending on driver structure. This new methodology improves the accuracy of our first results and detects adverse effects as the possible emergence of congestion due to the modification of speed sectioning. In perspective this methodology represents a significant argument in road managers strategy. In addition it also represents an orienting point to investigate different action scenarios and a first step to a global optimization policy in managing road infrastructure.

In the context of modern connected world, the concept of atomic data transfer/transaction has been completely redefined. Traditional distributed databases solve the issue of data safety through classical Atomicity, Consistency, Isolation and Durability (ACID) properties. However, the complex issue of transaction security remains difficult to address. Introducing blockchain (BC) as distributed database partially solves the problem but another issue arises i.e., BC’s modeling and evaluation. For e.g., what parameter values are ideal, is the selected blockchain framework compatible, etc.In this thesis, we solve it through dimensioning of BC using graph theory. With binomial distribution and preferential attachment models, we model the underlying BC P2P network to reduce topology control overhead while ensuring high flexibility, fast reconfigurability, connectivity, small diameter and clustering. Next, to reduce the no. of connections per peer, we establish ideal bounds on outbound and inbound connections that still guarantee P2P network feasibility and connectivity using r-out digraphs. For an already developed BC framework, we evaluate its applicability through topology mapping. We demonstrate the efficiency of our approach using our BTCmap framework applied to Bitcoin and present its real captured snapshot.However, using BC alone cannot holistically secure transaction as it only guarantees data immutability whereas in most scenarios, the data has also to be secured at point of generation and usage. Further, BC has high overhead and cannot penetrate to lower levels in a system. To mitigate this, we propose the use of Secure Element (SE) to establish “root of trust”, following the “secure by design” paradigm.Using these two technologies as the base of our proposed decentralized system, we apply it to three disparate fields. In Smart Grids, we address the problem of designing of distributed marketplace using the concepts of blockchain, SE, applied smart contracts, escrow accounts. We also address the issue of large data storage on blockchain for DR and centralization in DR allotment by designing a decentralized autonomous bidding system. We also propose a fair and efficient DR allotment algorithm whose execution time is less than 1 minute for more than 20k participants.Next, we apply our BC-SE based Safeguarding Framework (SaFe) to smart vehicles and address the problem of insecure Execution and Storage Environment within the smart vehicle. With SaFe, we show, how non-repudiable responsibility can be enforced. This ensures that when regulators audit the data, its veracity is undeniable. The issue of secure firmware update and key management is also solved while improving performance.In IoT, we apply our SE BC Stratagem (SEBS) to solve the pressing issue of holistic data security in resource constrained devices i.e., securing data at all 3 points viz., generation, storage, and usage while maintaining very low overhead and improving performance. We also address the niche issue of verification of blockchain data where a remote device which receives data from blockchain through an intermediary, does not have resources and online connectivity to verify it. By proposing SEOVA's double signature algorithm using the technology of SE, we successfully solve this issue without compromising on security and privacy.In the last leg, we solve the classical problem of sensor monitoring where data is transmitted using "limited transmit" method which results in aperiodicity in transmit patterns for various onsite sensors. The system on the other end must distinguish between two scenarios i.e. 1) data is not transmitted because transmission conditions are unmet, and 2) data is not transmitted because of an error on remote site. Given the same outcome for both cases, our SE-based PulSec framework, cleverly solves this problem while maintaining extremely low overhead (bandwidth=7.73 B/s, memory=464 B, time=500 ms) and zero false-positive cases; Les bases de données distribuées traditionnelles résolvent le problème de la sûreté des données grâce aux propriétés classiques d'atomicité, de cohérence, d'isolation et de durabilité (ACID) des transactions en charge de la mise à jour de ces données. Cependant, la question complexe de la sécurité des transactions reste difficile à résoudre. L'introduction de la chaîne de blocs (BlockChain : BC) en tant que base de données distribuée résout partiellement le problème, mais une autre question se pose, à savoir la modélisation et l'évaluation de la performance de la BC. Dans cette thèse, nous étudions le problème de dimensionnement de la BC en utilisant la théorie des graphes. À l'aide d’un modèle de distribution binomiale pour la sélection des nœuds voisins, nous modélisons le réseau P2P sous-jacent d’une BC pour le contrôle de la topologie du réseau P2P. Ensuite nous caractérisons le nombre de connexions sortantes et entrantes qui garantissent la connectivité du réseau P2P à l'aide de digraphes r-out. Nous démontrons l'efficacité de notre approche en utilisant notre outil BTCmap appliqué à un réseau existant.L'utilisation de la BC seule ne peut pas sécuriser les transactions de manière globale car elle ne garantit que l'immuabilité des données. Cependant, les données doivent également être sécurisées à leur source. De plus, la BC a un coût élevé en termes de puissance de calcul et ne peut pas être utilisée au niveau des nœuds sources des données. Pour traiter ce problème, nous proposons d'utiliser le concept d'élément de sécurité (SE) pour établir une "chaîne de confiance" selon le paradigme de la "sécurité par conception". Nous appliquons notre approche SE+BC à trois différents contextes:-Dans le cadre des réseaux intelligents, nous abordons le problème de conception d'un marché distribué pour l’énergie en utilisant les concepts de contrats intelligents et de comptes séquestre. Nous abordons également le problème du stockage de données sur la chaîne de blocs pour la proposition d’un service d’effacement énergétique décentralisé.-Ensuite, nous nous nous nous attaquons au problème de l'environnement d'exécution et de stockage non sécurisé dans un véhicule intelligent. Avec la solution SaFe, nous montrons comment la responsabilité non-réfutable peut être mise en œuvre. Cela garantit que lorsque les régulateurs vérifient les données, leur véracité est indéniable. La question de la mise à jour sécurisée des microprogrammes et de la gestion des clés de chiffrement est résolue par la solution SaFe.-Dans le contexte de l’Internet des Objets, nous appliquons notre stratégie SE-BC dans la solution SEBS, pour résoudre le problème de la sécurité globale des données dans les dispositifs à ressources limitées. Nous sécurisons les données en trois points, à savoir le point de génération, le stockage et l'utilisation avec un coût faible. Nous abordons également la question de la vérification des données de la BC lorsqu'un appareil distant qui reçoit des données de la BC par un intermédiaire ne dispose pas des ressources et de la connectivité en ligne nécessaires pour les vérifier. En proposant l'algorithme de double signature de SEOVA utilisant la technologie de SE, nous proposons une solution à ce problème sans compromettre la sécurité et la confidentialité. Pour finir, nous résolvons le problème classique de la surveillance de capteurs où les données sont transmises en utilisant une méthode de "transmission limitée" qui conduit à une apériodicité dans les transmissions de divers capteurs sur site. Le système à l'autre bout de la chaîne qui récupère les données doit distinguer deux scénarios : 1) les données ne sont pas transmises parce que les conditions de transmission ne sont pas remplies, c.a.d. pas de changement des données, et 2) les données ne sont pas transmises en raison d'une erreur sur un site distant. Avec le même résultat pour les deux cas, notre solution PulSec, basé sur les SE, résout ce problème avec un coût très faible

There are different types of error correction codes (CCE), each of which gives different trade-offs interms of decoding performanceand energy consumption. We propose to deal with this problem for Low-Density Parity Check (LDPC) codes. In this work, we considered LDPC codes constructed from protographs together with a quantized Min-Sum decoder, for their good performance and efficient hardware implementation. We used a method based on Density Evolution to evaluate the finite-length performance of the decoder for a given protograph.Then, we introduced two models to estimate the energy consumption of the quantized Min-Sum decoder. From these models, we developed an optimization method in order to select protographs that minimize the decoder energy consumption while satisfying a given performance criterion. The proposed optimization method was based on a genetic algorithm called differential evolution. In the second part of the thesis, we considered a faulty LDPC decoder, and we assumed that the circuit introduces some faults in the memory units used by the decoder. We then updated the memory energy model so as to take into account the noise in the decoder. Therefore, we proposed an alternate method in order to optimize the model parameters so as to minimize the decoder energy consumption for a given protograph.; Il existe différents types de codes correcteur d’erreurs (CCE), chacun offrant différents compromis entre la performance et la consommation d’énergie. Nous proposons de traiter ce problème pour les codes LDPC (Low-Density Parity Check). Dans ce travail, nous avons considéré les codes LDPC construits à partir de protographes avec un décodeur Min-Sum quantifié, pour leurs bonnes performances et leur implémentation matérielle efficace. Nous avons utilisé une méthode basée sur l’évolution de densité pour évaluer les performances à longueur finie du décodeur pour un protographe donné. Ensuite, nous avons introduit deux modèles pour estimer la consommation d’énergie du décodeur Min-Sum quantifié. A partir de ces modèles, nous avons développé une méthode d’optimisation afin de sélectionner des protographes qui minimisent la consommation d’énergie du décodeur tout en satisfaisant un critère de performance donné.Dans la seconde partie de la thèse, nous avons considéré un décodeur LDPC bruité, et nous avons supposé que le circuit introduit des défauts dans les unités de mémoire utilisées par le décodeur. Nous avons ensuite mis à jour le modèle d’énergie de la mémoire afin de prendre en compte le bruit dans le décodeur. Par conséquent, nous avons proposé une méthode alternative afin d’optimiser les paramètres du modèle et minimiser la consommation d’énergie du décodeur pour un protographe donné.

This thesis tackles one of the most debatable and in vogue topics in economics, namely the economic development and environmental quality nexus. Notably, it studies the economic development's effects—in terms of its economic, social, and political dimensions—on the environmental quality for developing and transition economies. Chapter I, which is divided into three key phases, namely theoretical review, empirical exercise, and empirical review, contributes to the literature by giving various insights regarding the link between economic growth and environmental pollution in developing and transition economies. Overall, it reveals that the recent empirical studies, indeed, succeeding to curtail some of the deficiencies suggested by theoretical contributions, might indicate a certain consensus regarding pollution-growth nexus and Environmental Kuznets Curve (EKC) hypothesis validity. Chapter II examines the pollution-growth nexus in Central and Eastern European (CEE) countries, adding to the related empirical literature using the extended EKC hypothesis as a theoretical background. On the one hand, it unveils an increasing nonlinear link between GDP and CO2 at the aggregate level, which is powerfully robust to different estimators and control variables. On the other hand, the country-level analysis reveals that the relationship between GDP and CO2 is characterized by much diversity among CEE countries. Thus, despite an aggregated upward trend, some CEE countries managed to secure both higher GDP and lower CO2 emissions. From a policy perspective, EU policymakers could pay more attention to these countries and amend the current unique environmental policy to account for country-heterogeneities to support economic growth without damaging the environment. Chapter III investigates the aggregated and sector-specific CO2 emissions' responsiveness following exogenous shocks to growth and urbanization, considering a transmission scheme that incorporates two of the widely used instruments in mitigating environmental degradation—renewables and energy efficiency. First, robust to several alternative specifications, the results indicate that output, urbanization, and energy intensity increase the aggregated CO2 emissions, while renewable energy exhibits an opposite effect. Moreover, regarding the CO2 responsiveness in the aftermath of output and urbanization shocks, the pattern may suggest that these countries are likely to attain the threshold that would trigger a decline in CO2 emissions. However, the findings are sensitive to both countries' economic development and Kyoto Protocol ratification/ascension status. Second, the sector-specific analysis unveils that the transportation, buildings, and non-combustion sector exhibits a higher propensity to increase the future CO2 levels. Generally, this chapter may provide useful insights concerning environmental sustainability prospects in developing states. Chapter IV explores the effects of political stability on environmental degradation, giving a renewed perspective on this topic in developing states. It shows that a nonlinear, bell-shaped pattern characterizes the relationship between variables at the aggregate level. Moreover, while this result is robust to a broad set of alternative specifications, significant heterogeneities are found regarding countries' distinct characteristics and alternative pollution measures. Besides, the country-specific estimates unveil contrasting patterns regarding the relationship between CO2 and political stability. Broadly speaking, the findings suggest that both the formal and informal sides of political stability play a vital role in mitigating CO2 pollution in developing countries, and may provide meaningful insights for policymakers. (...), Cette thèse aborde l'un des sujets les plus discutés et en vogue dans le domaine de l'économie, à savoir le lien entre le développement économique et la qualité environnementale. En particulier, on met l’accent sur les effets du développement économique—tant dans ses dimensions économique, sociale que politique—sur la qualité de l'environnement pour les économies en développement et en transition. Le chapitre I, divisé en trois phases clés, à savoir la revue de la littérature théorique, la partie empirique et la revue de la littérature empirique, contribue à la littérature en donnant diverses informations sur le lien entre la croissance économique et la pollution de l'environnement dans les économies en développement et en transition. Globalement, les résultats révèlent que des études empiriques récentes, parvenant à réduire certaines lacunes suggérées par la théorie, pourraient en effet indiquer un certain consensus sur la relation entre la croissance et la pollution, à savoir la validité de l'hypothèse de la Courbe de Kuznets Environnementale (CKE). Le chapitre II examine le lien pollution-croissance dans les pays d'Europe Centrale et Orientale (PECO), en ajoutant à la littérature empirique l’utilisation de l'hypothèse étendue de l'CKE comme cadre théorique. D'une part, il révèle un lien de croissance non linéaire entre le PIB et le CO2 agrégé, qui est fortement robuste pour différents estimateurs et variables de contrôle. En revanche, l'analyse au niveau des pays révèle que la relation entre le PIB et le CO2 se caractérise par une grande diversité dans les PECO. Ainsi, malgré une tendance globale à la hausse, certains PECO ont réussi à assurer à la fois un PIB plus élevé et une réduction des émissions de CO2. Du point de vue politique, les décideurs de l'UE pourraient accorder plus d'attention à ces pays, c'est-à-dire envisager une intégration plus rigoureuse des hétérogénéités des pays et, en même temps, soutenir la croissance économique sans nuire à l'environnement. Le chapitre III étudie la réponse des émissions de CO2 agrégées et sectorielles résultant des perturbations externes du PIB et de l'urbanisation, en supposant un canal de transmission qui intègre deux des éléments clés utilisés dans la lutte contre la dégradation de l'environnement—les énergies renouvelables et l'efficacité énergétique. Les résultats, robustes à plusieurs spécifications alternatives, indiquent que la production globale, l'urbanisation et l'intensité énergétique augmentent les émissions totales de CO2, tandis que les énergies renouvelables ont l'effet inverse. Par ailleurs, en ce qui concerne la réponse du CO2 aux chocs de production et d'urbanisation, le modèle suggère que ces pays atteindront le seuil maximum qui conduirait à un changement de la tendance des émissions à la baisse. Cependant, les résultats varient en fonction du niveau de revenu et du statut des pays sur la ratification/l'adhésion au Protocole de Kyoto. Ensuite, l'analyse sectorielle montre que les transports, les bâtiments et les secteurs non-combustion sont plus susceptibles de contribuer à l'augmentation des niveaux futurs de CO2. En général, ce chapitre peut fournir des informations précieuses sur les perspectives de durabilité environnementale dans les pays en développement. Le chapitre IV explore les effets de la stabilité politique sur la dégradation de l'environnement, donnant une perspective renouvelée sur ce sujet dans les pays en développement. Il montre qu'une évolution non linéaire en forme de cloche décrit la relation entre les variables au niveau agrégé. De plus, bien que ce résultat reste stable pour plusieurs spécifications alternatives, nous identifions des hétérogénéités significatives dans les caractéristiques distinctes des pays et les mesures alternatives de pollution. En outre, des estimations désagrégées révèlent des schémas contrastés pour la relation entre le CO2 et la stabilité politique. (...)

There are different types of error correction codes (CCE), each of which gives different trade-offs interms of decoding performanceand energy consumption. We propose to deal with this problem for Low-Density Parity Check (LDPC) codes. In this work, we considered LDPC codes constructed from protographs together with a quantized Min-Sum decoder, for their good performance and efficient hardware implementation. We used a method based on Density Evolution to evaluate the finite-length performance of the decoder for a given protograph.Then, we introduced two models to estimate the energy consumption of the quantized Min-Sum decoder. From these models, we developed an optimization method in order to select protographs that minimize the decoder energy consumption while satisfying a given performance criterion. The proposed optimization method was based on a genetic algorithm called differential evolution. In the second part of the thesis, we considered a faulty LDPC decoder, and we assumed that the circuit introduces some faults in the memory units used by the decoder. We then updated the memory energy model so as to take into account the noise in the decoder. Therefore, we proposed an alternate method in order to optimize the model parameters so as to minimize the decoder energy consumption for a given protograph.; Il existe différents types de codes correcteur d’erreurs (CCE), chacun offrant différents compromis entre la performance et la consommation d’énergie. Nous proposons de traiter ce problème pour les codes LDPC (Low-Density Parity Check). Dans ce travail, nous avons considéré les codes LDPC construits à partir de protographes avec un décodeur Min-Sum quantifié, pour leurs bonnes performances et leur implémentation matérielle efficace. Nous avons utilisé une méthode basée sur l’évolution de densité pour évaluer les performances à longueur finie du décodeur pour un protographe donné. Ensuite, nous avons introduit deux modèles pour estimer la consommation d’énergie du décodeur Min-Sum quantifié. A partir de ces modèles, nous avons développé une méthode d’optimisation afin de sélectionner des protographes qui minimisent la consommation d’énergie du décodeur tout en satisfaisant un critère de performance donné.Dans la seconde partie de la thèse, nous avons considéré un décodeur LDPC bruité, et nous avons supposé que le circuit introduit des défauts dans les unités de mémoire utilisées par le décodeur. Nous avons ensuite mis à jour le modèle d’énergie de la mémoire afin de prendre en compte le bruit dans le décodeur. Par conséquent, nous avons proposé une méthode alternative afin d’optimiser les paramètres du modèle et minimiser la consommation d’énergie du décodeur pour un protographe donné.

The design target of energy efficiency for 5G networks is at least 1000-fold than the currently available 4G system, while offering higher data transmission rate and very low latency. To evaluate the performance of large representative cellular networks and capture the main factors involved in the energy consumption process, representative and accurate models must be developed. To develop tractable and efficient models, we use the spatial fluid modeling framework and compute the energy efficiency metric. Our model consists of a downlink transmission of an OFDMA cellular network, composed of several base stations and multiple user equipments randomly distributed over the area. An analytical expression of energy efficiency is then derived to study the impact of the major factors involved in the energy consumption process such as fading and shadowing attenuation, cellular coverage type and quality. Extensive numerical simulations were run to compare the results obtained by Monte Carlo simulations and demonstrate the effectiveness and accuracy of the fluid modeling for large cellular networks. The numerical results indicate that user density does not affect energy efficiency. Besides, energy efficiency is more important in suburban environments than in urban environments where the shadowing effect is great, regardless of the cellular coverage type. However, and more generally, micro-cellular networks’deployment offers better energy efficiency than the conventional macro-cellular ones. Besides, we evaluated the effect of the promising Joint Transmission Coordinated MultiPoint (JT-CoMP) technique on energy efficiency, which is significantly improved as the number of coordinated BSs increases. On the other hand, coordination between base stations is only effective for user equipment that is remote from their base station. To resume, our numerical results illustrate the effectiveness and accuracy of fluid modeling, which can be considered a mathematical tool by operators to benchmark cellular networks’energy efficiency., La conception des systèmes de communication dits 5G cible une efficacité énergétique ambitieuse, au moins 1000 fois supérieure à celle du système 4G actuellement disponible, tout en offrant un débit de transmission de données supérieur et un temps de latence très faible. Il est donc nécessaire de développer des modèles représentatifs et précis des grands réseaux cellulaires afin d’évaluer leur performance et d’identifier les principaux facteurs impliqués dans la consommation d'énergie comme l’atténuation de signal, le type et la qualité de la couverture cellulaire radio. Nous avons utilisé la modélisation fluide spatiale pour développer des modèles représentatifs et calculables afin de calculer la métrique d'efficacité énergétique. Notre modèle considère un réseau composé de plusieurs cellules opérant en OFDMA sur les liens descendants, et de multiples équipements utilisateurs répartis aléatoirement. Une expression analytique de l'efficacité énergétique a été dérivée pour prendre en compte les principaux facteurs liés à la communication : coefficient d’atténuation de signal, probabilité de couverture, type du réseau. Des simulations numériques ont permis de comparer les résultats avec ceux obtenus par les simulations Monte Carlo et ainsi, montrer l'efficacité et la précision de la modélisation fluide pour de grands réseaux cellulaires. Les résultats numériques montrent que l'efficacité énergétique est indépendante de la densité des équipements utilisateurs. Par ailleurs, l'efficacité énergétique est plus importante dans les environnements suburbains que dans les milieux urbains où l'effet de shadowing est grand et ce, quel que soit le type de réseaux (macro, micro ou femto). Cependant, et d’une façon plus générale, le déploiement de petits réseaux (small cells) offre une meilleure efficacité énergétique comparée au réseau macro classique. En outre, nous avons évalué l'effet de la technique de transmission conjointe multipoint (JT-CoMP) sur l'efficacité énergétique, qui est considérablement améliorée lorsque le nombre de stations de base coordonnées augmente. En revanche, la coordination entre les stations de base n’est efficace que pour les équipements utilisateurs éloignés de leur station de base. En résumé, nos résultats numériques mettent en évidence l'efficacité et la précision de la modélisation fluide qui peut être considérée comme un outil mathématique par les opérateurs pour évaluer l'efficacité énergétique des réseaux cellulaires.

The deployment of Communicating Things Networks (CTNs), with continuously increasing densities, needs to be optimal in terms of quality of service, energy consumption and lifetime. Determining the optimal placement of the nodes of these networks, relative to the different quality criteria, is an NP-Hard problem. Faced to this NP-Hardness, especially for indoor environments, existing approaches focus on the optimization of one single objective while neglecting the other criteria, or adopt an expensive manual solution. Finding new approaches to solve this problem is required. Accordingly, in this thesis, we propose a new approach which automatically generates the deployment that guarantees optimality in terms of performance and robustness related to possible topological failures and instabilities. The proposed approach is based, on the first hand, on the modeling of the deployment problem as a multi-objective optimization problem under constraints, and its resolution using a hybrid algorithm combining genetic multi-objective optimization with weighted sum optimization and on the other hand, the integration of reinforcement learning to guarantee the optimization of energy consumption and the extending the network lifetime. To apply this approach, two tools are developed. A first called MOONGA (Multi-Objective Optimization of wireless Network approach based on Genetic Algorithm) which automatically generates the placement of nodes while optimizing the metrics that define the QoS of the CTN: connectivity, m-connectivity, coverage, k-coverage, coverage redundancy and cost. MOONGA tool considers constraints related to the architecture of the deployment space, the network topology, the specifies of the application and the preferences of the network designer. The second optimization tool is named R2LTO (Reinforcement Learning for Life-Time Optimization), which is a new routing protocol for CTNs, based on distributed reinforcement learning that allows to determine the optimal rooting path in order to guarantee energy-efficiency and to extend the network lifetime while maintaining the required QoS.; Le déploiement des réseaux d’objets communicants «ROCs», dont les densités augmentent sans cesse, conditionne à la fois l’optimalité de leur qualité de service, leur consommation énergétique et par conséquent leur durée de vie. Il s’avère que le problème de déterminer le placement optimal, relativement aux différents critères de qualité, des nœuds de ces réseaux est un problème Np-Complet. Face à cette Np-complétude, et en particulier pour des environnements intérieurs, les approches existantes focalisent sur l’optimisation d’un seul objectif en négligeant les autres critères, ou optent pour une solution manuelle fastidieuse et coûteuse. Des nouvelles approches pour résoudre ce problème sont donc nécessaires. Cette thèse propose une nouvelle approche qui permet de générer automatiquement, dès la phase de conception des réseaux d’objets communicants, le déploiement qui garantit à la fois l’optimalité en termes de performances et de robustesse face aux éventuelles défaillances et instabilités topologiques. Cette approche proposée est basée d’une part sur la modélisation du problème de déploiement sous forme d’un problème d’optimisation combinatoire multi-objectifs sous contraintes, et sa résolution par un algorithme génétique hybride combinant l’optimisation multi-objectifs avec l’optimisation à somme pondérée, et d’autre part sur l’intégration de l’apprentissage par renforcement pour garantir l’optimisation de la consommation énergétique et la prolongation de la durée de vie. Elle est concrétisée par le développement de deux outils. Un premier appelé MOONGA (pour Multi-Objective Optimization of Wireless Network Approach Based on Genetic Algorithm) qui permet de générer automatiquement le placement des nœuds, qui optimise la connectivité, la m-connectivité, la couverture, la k-couverture, la redondance de couverture et le coût. Cette optimisation prend en considération les contraintes liées à l'architecture de l’espace de déploiement, à la topologie du réseau, aux spécificités de l'application pour laquelle le réseau est conçu et aux préférences du concepteur. Après optimisation de déploiement l’outil R2LTO (Pour Reinforcement Learning for Life-Time Optimization), permet d’intégrer un protocole de routage, basé sur l'apprentissage par renforcement, pour garantir l’optimisation de la consommation énergétique et de la durée de vie du ROC après son déploiement tout en conservant la QoS requise.

As the world’s civilization is entirely dependent on access to large amounts of energy, the energy demand continues to increase along with the rapid growth in the world’s population. Countries with extreme climate conditions tend to have greater energy demand where most aggressive energy consumers are heating and cooling systems. In the middle east and Gulf countries in particular (like Qatar), there is a huge demand for Heating Ventilation & Air conditioning (HVAC) applications due to the harsh desert environment (heat, humidity & dust), which approximately accounts for 60 – 70 % of total energy consumption. Electricity as a secondary form of energy is dominantly used for cooling applications in such regions, which is usually produced via standard fossil fuel based power generation processes that are associated with massive loads of carbon emission. Typical household consumption in Qatar is ten times higher than average houses in the USA and Europe. There have been numerous studies and techniques proposed to address such energy challenges through state-of-the-art technology, energy efficiency, and renewable energy. However, they are not entirely successful, as many of which are region or even country-specific, meaning that local energy policies, regulations, and culture can always impact the expected results. This study investigates the energy consumption and efficiency challenges related to buildings’ cooling applications and their environmental and health implications within areas of harsh arid climate conditions. To address these challenges, a pragmatic engineering approach is proposed to assist in tackling persistent power management and peak load issues associated with cooling applications in buildings where the focus is on demand-side to develop suitable power management techniques for multiple AC units. Optimal and adaptive control schemes were successfully developed for buildings to respond to space cooling demands in a balanced and harmonized way that significantly minimizes power peaks. Another aspect of this work investigates how dust from the surrounding desert environment can negatively impact HVAC performance, energy efficiency, and indoor air quality. An optimization algorithm was successfully developed to guide the design and proper selection of air filters for optimal HVAC performance.; La civilisation mondiale est entièrement dépendante de l'accès à de grandes quantités d'énergie tandis que la demande d'énergie continue de croître à un rythme rapide avec la croissance de la population mondiale. Les pays aux conditions météorologiques extrêmes ont tendance à avoir des demandes énergétiques plus élevées, où les principaux consommateurs d'énergie sont les systèmes de chauffage et de refroidissement. Dans les pays du Moyen-Orient et du Golfe en particulier (Qatar par exemple), il existe une forte demande pour les applications de refroidissement en raison de l'environnement désertique (chaleur, humidité et poussière), qui représente environ 60 à 70% de la consommation totale d'énergie. L'électricité en tant que forme d'énergie secondaire est principalement utilisée pour les applications de refroidissement dans ces régions, qui est générée par des processus de production d'électricité standard à base de combustibles fossiles associés à des émissions massives de carbone. La consommation typique des ménages au Qatar est dix fois plus élevée que la moyenne des ménages aux États-Unis et en Europe. De nombreuses études et techniques ont été proposées pour relever ces défis énergétiques grâce aux technologies de pointe, à l'efficacité énergétique et aux énergies renouvelables. Cependant, ils ne sont pas entièrement couronnés de succès, car beaucoup d'entre eux sont spécifiques à une région ou même à un pays, ce qui signifie que les politiques énergétiques, les concepts et la culture locaux peuvent avoir un impact sur le résultat attendu. Cette étude examine les problèmes de consommation d'énergie et d'efficacité associés aux applications de refroidissement des bâtiments et leurs implications environnementales et sanitaires dans les régions désertiques. Pour relever ces défis, une approche d'ingénierie pragmatique est proposée pour aider à résoudre les problèmes persistants de gestion de l'énergie et de charge de pointe associés aux applications de refroidissement dans les bâtiments où l'accent est mis sur la demande afin de développer des techniques de gestion de l'énergie pour plusieurs équipements de climatisation. Des schémas de contrôle optimaux et adaptatifs ont été développés avec succès pour les bâtiments afin de répondre aux demandes de refroidissement des locaux d'une manière équilibrée et harmonisée qui minimise la demande de pointe. Un autre aspect de ce travail étudie comment la poussière de l'environnement désertique environnant peut avoir un impact négatif sur les performances de la climatisation, l'efficacité énergétique et la qualité de l'air intérieur. Un algorithme d'optimisation a été développé avec succès pour guider la conception et la sélection appropriée des filtres à air pour des performances optimales du climatiseur.

This work presents a contribution to the latent heat thermal energy storage LHTES technology by working on both phase change materials PCMs and storage systems that are technically and economically viable for their integration in buildings. Regarding the PCM material, the urea and sodium nitrate eutectic mixture has been previously identified as a good candidate for the Domestic Heating Water (DHW) and heating applications. One of the main objectives of the PhD thesis was the characterization of these aspects to evaluate the urea and sodium nitrate eutectic mixture long term feasibility to be used as a PCM in application. The study of the material includes the development of methodologies that are more practical and representative of the operation in the final application than the traditionally used in PCM characterization. The characterization of the hygroscopicity or water uptake of the urea and sodium nitrate eutectic mixture under different conditions was performed. A sample preparation method and handling conditions are proposed for avoiding the mixture water uptake.The thermal degradation of the urea and sodium nitrate eutectic mixture was evaluated by measuring the thermo-physical behavior after exposure time at different defined temperatures. DSC measurements were carried out to determine the variation of parameters that are directly related to the thermal energy storage of the PCM and its long-term stability. In addition, the degradation products and their influence on the variation of the system properties were assessed.The eutectic mixture showed unforeseen segregation at temperatures above the melting point upon melting and solidification cycles. Several tests were done including thermal cycling, XRD of the segregates, DSC after the redissolution of the segregates in the liquid material, and microscopy (PLM and SEM) of samples cooled down under different conditions. The experiments permitted to stablish a relationship between the operation conditions, more specifically the cooling rates, with the resulting crystal structures which explains the phase segregation in the eutectic mixture, and how to reduce it and how to reverse the process.The study of the supercooling comprised the use of the urea and sodium nitrate eutectic mixture and PEG10000. The experiments were performed in different conditions: sample containers (with different geometries and volumes), cooling rates and heat transfer fluids (HTF) were implemented. Finally, the results served to evaluate the relationship of the supercooling degree with parameters associated with the sample volume, cooling media and PCM parameters. Afterwards, linear regression models were gathered for each material and one for both materials. The specific aim of the chapter is to get a step further into the supercooling understanding and prediction, in order to efficiently design LHTES systems to be used with materials that show supercooling.Finally, regarding the storage system a shell and tubes heat exchanger is studied in order to evaluate the use of devices already commercially available the use as latent heat energy storage LHTES devices. The first objective was to get a deeper understanding of the thermal behavior of the device. The characterization was performed using RT60 paraffin as PCM inside the shell, a well known commercial material, to assure the reproducibility of the results, and water as heat transfer fluid in the tubes. Several flow rates and temperature ranges were used to obtain a greater scope of the operation of the device as LHTES. The work included the determination of the thermal losses, and the study of charging and discharging cycles, initial and final temperatures and flow rates.; La technologie de stockage de l'énergie thermique par chaleur latente (LHTES) est abordée en travaillant à la fois sur les matériaux à changement de phase MCP utilisés et sur les systèmes de stockage techniquement et économiquement viables pour leur intégration dans les bâtiments. En ce qui concerne le matériau MCP, un mélange eutectique d'urée et de nitrate de sodium a été précédemment identifié comme un bon candidat pour les applications eau chaude sanitaire et chauffage. L'un des principaux objectifs de la thèse de doctorat était la caractérisation de ces aspects pour évaluer l’utilisation à long terme du mélange eutectique d'urée et de nitrate de sodium comme MCP. L'étude du matériau comprend le développement de méthodologies qui sont plus représentatives de son utilisation dans l'application finale que celles traditionnellement rencontrées pour la caractérisation des MCP. La caractérisation de l'hygroscopicité ou de l'absorption d'eau du mélange eutectique d'urée et de nitrate de sodium a été réalisée dans différentes conditions. Une méthode de préparation des échantillons et des conditions de manipulation sont proposées pour éviter l'absorption d'eau du mélange.La dégradation thermique du mélange eutectique d'urée et de nitrate de sodium a été évaluée en étudiant le comportement thermo-physique après un temps d'exposition à températures élevées. Des mesures DSC ont été effectuées pour déterminer la variation des propriétés directement liées au stockage de l'énergie thermique du MCP et à sa stabilité à long terme. En outre, les produits obtenus lors de la dégradation et leur influence sur la variation des propriétés du MCP ont été étudiés.Le mélange eutectique a montré une ségrégation imprévue à des températures supérieures au point de fusion lors des cycles de fusion et de solidification. Plusieurs tests ont été effectués, notamment le cyclage thermique, la diffraction par rayons X des phases due à la ségrégation, DSC après la redissolution de ces phases dans le matériau liquide et la microscopie (PLM et MEB) d'échantillons refroidis dans différentes conditions. Les expériences ont permis d'établir une relation entre les conditions de fonctionnement, et les structures cristallines résultantes qui expliquent la ségrégation de phase dans le mélange eutectique, et la manière de la réduire et d'inverser le processus.L'étude de la surfusion comprenait l'utilisation de deux MCPs : l’eutectique urée - nitrate de sodium et le PEG 10000. Les expériences ont été réalisées dans différentes conditions: des récipients de géométrie et de volume différents, diverses vitesses de refroidissement et divers fluides de transfert thermique. Les résultats ont servi à évaluer la relation entre le degré de surfusion et les paramètres associés. Après, des modèles de régression linéaire ont été définis pour chaque matériau puis pour les deux matériaux. L'objectif spécifique de ce chapitre est de faire un pas de plus dans la compréhension et la prédiction de la surfusion, afin de concevoir efficacement des systèmes LHTES utilisant des matériaux qui peuvent présenter une surfusion.Enfin, en ce qui concerne le système de stockage, un échangeur de chaleur à tubes-calandre est étudié afin d'évaluer l'utilisation de ce type de dispositifs déjà commercialisés comme dispositifs de stockage de l'énergie thermique latente (LHTES). Le premier objectif était de mieux comprendre le comportement thermique de l’échangeur. L’étude a été réalisée en utilisant, dans la calandre, de la paraffine RT60 comme MCP, un matériau commercial bien connu assurant ainsi la reproductibilité des résultats, et de l'eau comme fluide de transfert de chaleur dans les tubes. Plusieurs débits et plages de température ont été envisagés pour réaliser l’étude complète du fonctionnement de l’échangeur. Le travail a inclus la détermination des pertes thermiques et l'étude des cycles de charge et de décharge avec différentes températures initiales et finales et différents débits.

Nowadays SBEMS are suffering from a lack of effective smart architecture offering adaptability versus use-case contexts while benefiting from market-availability of a huge number of technological and devices’ choices. Dealing with the smart building energy management system (SBEMS), this thesis focus more particularly on designing the architecture of SBEMS, the development of the two most important of its subsystems (namely, lighting system and heating system) and evaluation of those systems through their effective implementation. The objective of present doctoral investigation is to present an energy-efficient SBEMS taking advantage from ambient intelligence and artificial intelligence concept and techniques. To carry out such an architecture, a multi-layer architecture with market-available technologies is presented. Compatible with most of the available technologies in the market, the proposed architecture has been integrated within a real five-floor building serving as a research platform for developing the subsystems of SBEMS. The development of two aforesaid subsystems is studied separately.Concerning the lighting system, in order to cope with energy-decrease an adaptive lighting-elements’ control strategy taking advantage from as well lighting-elements’ placement in space as the space-users’ presence is presented. The proposed lighting system uses various methods and advanced lighting technology in order to adaptively control lighting elements versus their effective locations within the concerned living-spaces. The proposed lighting system is highly energy-efficient and adaptive to different lighting conditions. The evaluation and validation results show the effectiveness of the proposed approach, reaching over 70% lighting energy reduction with same user’s comfort.Concerning the heating systems, the analysis of the main proposed SBEMS leaded to fact that the most of already advanced developed heating control systems remain either in a prototype state (because of their relatively complex implementation requirements) or require very specific technologies not implementable in most of existing buildings. On the other hand, the above-mentioned analysis has also pointed out that the most of SBEMS deploy quite very basic heating-control strategies limited to quite simplistic pre-designed use-cases’ scenarios. In the present doctoral thesis, we propose a heating-control strategy taking advantage from the overall identification of the heating-space as taking advantage from consideration of the heating-space users’ presence: as additional thermal sources. To handle this, space heating dynamics are identified using time series prediction techniques with Machine-Learning approaches supporting an adaptive controller operating on the basis of Soft-Computing (bio-inspired artificial intelligence) techniques. The carried out studies and experimental validations illustrate the effectiveness of the proposed approaches in enhancement of energy-saving and user comfort in SBEMS., Aujourd'hui, les systèmes de gestion d’énergie des bâtiments intelligents (SGEBI) souffrent d'un manque d'architectures intelligentes efficaces offrant une adaptabilité aux contextes d'utilisation, tout en bénéficiant de la disponibilité sur le marché d'un grand nombre de choix technologiques et d'appareils connectés. Focalisant SGEBI, la présente thèse porte plus particulièrement sur la conception d’une architecture du SGEBI, le développement des deux plus importants de ses sous-systèmes (à savoir, le système d'éclairage et le système de chauffage) et l'évaluation de ces systèmes à travers leur mise en œuvre effective. L'objectif de la présente recherche doctorale est de présenter un SBEMS économe en énergie tirant partie des concepts et des techniques de l’intelligence ambiante et de l'intelligence artificielle. Pour réaliser une telle architecture, une architecture multicouche avec des technologies disponibles sur le marché est présentée. Compatible avec la plupart des technologies disponibles sur le marché, l'architecture proposée a été intégrée dans un véritable bâtiment de cinq étages servant de plateforme de recherche pour développer les sous-systèmes de SGEBI. Le développement de deux sous-systèmes précités est étudié séparément.En ce qui concerne le système d'éclairage, afin de réaliser la diminution de l'énergie, une stratégie de contrôle adaptatif des éléments d'éclairage tirant partie à la fois du placement des éléments d'éclairage dans l'espace concerné et de la présence des utilisateurs dans cet espace a été proposée. Le système d'éclairage proposé utilise diverses méthodes et technologies d'éclairage avancées afin de contrôler de manière adaptative les éléments d'éclairage en fonction de leur emplacement effectif dans les espaces concernés. Le système d'éclairage proposé est très économe en énergie et s'adapte à différentes conditions d'éclairage. Les résultats de l'évaluation et de la validation montrent l'efficacité de l'approche proposée, avoisinant 70% de réduction de l'énergie d'éclairage avec le même confort d'utilisation.En ce qui concerne les systèmes de chauffage, l'analyse des principaux SGEBI proposés a conduit au constat que la plupart des systèmes de contrôle de chauffage avancés déjà développés restent soit à l'état du prototype (en raison de leurs exigences de mise en œuvre relativement complexes), soit nécessitent des technologies très spécifiques non implantables dans la plupart des bâtiments existants. D’un autre côté, le même analyse a également montré que la plupart des SGEBI déploient des stratégies de contrôle du chauffage assez basiques, limitées à des scénarios d’utilisation prédéfinis assez simplistes. Dans la présente thèse doctorale, nous proposons une stratégie de régulation du chauffage tirant partie de l'identification globale de l'espace de chauffage comme tirant partie de la prise en compte de la présence des utilisateurs de l'espace de chauffage concerné : comme sources thermiques supplémentaires. Pour réaliser cela, la dynamique du chauffage des locaux est identifiée à l'aide de techniques de prédiction basées sur les séries temporelles avec des approches tirant bénéfice d'apprentissage artificiel et un contrôleur adaptatif fonctionnant sur la base de techniques issues du concept du « calcul tolèrent » (l’intelligence artificielle bio-inspirée).Les études et les validations expérimentales réalisées illustrent l'efficacité des approches proposées dans l'amélioration de l’économie d'énergie et du confort des utilisateurs dans SGEBI.

QUB is a dynamic in-situ thermal characterization test method that has the potential to be conducted in a short duration of one to two nights. The robustness of QUB method with uncertainty in power level (during QUB heating phase), uncertainty in overall heat transfer coefficient at steady state, H_ref, and the outdoor temperatures a function of seasons needs to be established for real buildings.A dynamic state-space model is developed in this thesis to simulate QUB experiments. The state-space modelling involves generating a thermal circuit for each component of the building (walls, fenestration, ventilation system, etc.). The thermal circuits are then assembled to generate a single circuit for the entire building. The state-space model developed, is validated using thermal characteristics and measured data of a full-scale house (the twin house) provided by IEA EBC Annex 58. The numerical simulations of the QUB experiments on a house show that the method has only slight variation with uncertainty in power; for example, 30% error in optimum power can cause an error within 3 % of the reference value. A posteriori error analysis is performed by simulating QUB experiments in situations in which the real envelope has different characteristics than those assumed in the design of the experiment for QUB method. These results are then compared with a priori errors, a situation in which QUB experiments are performed with the knowledge of the real envelope. The error analysis shows that with 50 % error in the overall heat transfer coefficient (i.e. missing wall insulation situation), the QUB method results in an increased error of only 3¬¬ %. The precision of QUB method was tested also with the variation of solar radiation. QUB results on cloudy days show lesser variation as compared to sunny days. It was shown that the heat transfer from the delayed solar radiations entering through the walls of the building has an effect on the temperature evolution during the QUB experiment. This can lead to an increased error in QUB method. The QUB experiments are simulated during summer and winter to determine the impact of seasons on the accuracy of the method. The winter season shows more robust results as compared to summer months. The summer months show larger variation of results. It is verified that the large variation are due to small temperature difference between indoor and outdoor conditions during some of the summer nights. The experiments in summer season can be improved by increasing the set point temperature before the QUB experiment.; QUB est une méthode d'essai de caractérisation thermique in situ dynamique qui a le potentiel d'être menée sur une courte durée d'une à deux nuits. La robustesse de la méthode QUB avec l'incertitude du niveau de puissance (pendant la phase de chauffage QUB), l'incertitude du coefficient de transfert de chaleur global à l'état d'équilibre, H_ref, et les températures extérieures en fonction des saisons doivent être établies pour les bâtiments réels. Un modèle dynamique d'état-espace est développé dans cette thèse pour simuler des expériences QUB. La modélisation espace-état consiste à générer un circuit thermique pour chaque composant du bâtiment (murs, fenestration, système de ventilation, etc.). Les circuits thermiques sont ensuite assemblés pour générer un seul circuit pour l'ensemble du bâtiment. Le modèle d'espace d'état développé, est validé à l'aide des caractéristiques thermiques et des données mesurées d'une maison à grande échelle (la maison jumelle) fournies par l'annexe 58 de l'IEA EBC. Les simulations numériques des expériences QUB sur une maison montrent que la méthode ne présente que de légères variations avec une incertitude de puissance; par exemple, une erreur de 30% de la puissance optimale peut provoquer une erreur à moins de 3% de la valeur de référence. Une analyse d'erreur a posteriori est effectuée en simulant des expériences QUB dans des situations où l'enveloppe réelle a des caractéristiques différentes de celles supposées dans la conception de l'expérience pour la méthode QUB. Ces résultats sont ensuite comparés à des erreurs a priori, une situation dans laquelle des expériences QUB sont effectuées avec la connaissance de l'enveloppe réelle. L'analyse des erreurs montre qu'avec une erreur de 50% du coefficient de transfert de chaleur global (c'est-à-dire une situation d'isolation de paroi manquante), la méthode QUB entraîne une erreur accrue de seulement 3¬¬%. La précision de la méthode QUB a également été testée avec la variation du rayonnement solaire. Les résultats QUB les jours nuageux montrent une variation moindre par rapport aux jours ensoleillés. Il a été démontré que le transfert de chaleur des radiations solaires retardées pénétrant à travers les murs du bâtiment a un effet sur l'évolution de la température au cours de l'expérience QUB. Cela peut entraîner une augmentation de l'erreur dans la méthode QUB. Les expériences QUB sont simulées pendant l'été et l'hiver pour déterminer l'impact des saisons sur la précision de la méthode. La saison d'hiver montre des résultats plus robustes que les mois d'été. Les mois d'été montrent une plus grande variation des résultats. Il est vérifié que la grande variation est due à une petite différence de température entre les conditions intérieures et extérieures pendant certaines des nuits d'été. Les expériences en saison estivale peuvent être améliorées en augmentant la température de consigne avant l'expérience QUB.

Body Sensor Networks (BSNs) are formed of medical sensors that gather physiological and activity data from the human body and its environment, and send them wirelessly to a personal device like Personal Digital Assistant (PDA) or a smartphone that acts as a gateway to health care. Collaborative Body Sensor Networks (CBSNs) are collection of BSNs that move in a given area and collaborate, interact and exchange data between each other to identify group activity, and monitor the status of single and multiple persons.In both BSN and CBNS networks, sending data with the highest Quality of Service (QoS) and performance metrics is crucial since the data sent affects people’s life. For instance, the sensed physiological data should be sent reliably and with minimal delay to take appropriate actions before it is too late, and the energy consumption of nodes should be preserved as they have limited capacities and they are expected to serve for a long period of time. The QoS in BSNs and CBSNs largely depends on the choice of the Medium Access Control (MAC) protocols, the adopted routing schemes, and the efficient and accuracy of anomaly detection.The current MAC, routing and anomaly detection schemes proposed for BSNs and CBSNs in the literature present many limitations and open the door toward more research and propositions in these areas. Thus this thesis work focuses on three main axes. The first axe consists in studying and designing new and robust MAC algorithms able to address BSNs and CBSNs' challenges. Standard MAC protocols are compared in high traffic BSNs and a new MAC protocol is proposed for such environments; then an emergency aware MAC scheme is presented to address the dynamic traffic requirements of BSN in ensuring delivery of emergency data within strict delay requirements, and energy efficiency of nodes during regular observations; moreover, a traffic and mobility aware MAC scheme is proposed for CBSNs to address both traffic and mobility requirements for these networks.The second axe consists in proposing a thorough and efficient routing scheme suitable for BSNs and CBSNs. First, different routing models are compared for CBSNs and a new routing scheme is proposed in the aim of reducing the delay of data delivery, and increasing the network throughput and the energy efficiency of nodes. The proposed scheme is then adapted to BSN's requirements to become a solid solution for the challenges faced by this network. The third axe involves proposing an adaptive sampling approach that guarantees high accuracy in the detection of emergency cases, while ensuring at the same time high energy efficiency of the sensors.In the three axes, the performance of the proposed schemes is qualitatively compared to existing algorithms in the literature; then simulations are carried a posteriori with respect to different performance metrics and under different scenarios to assess their efficiency and ability to face BSNs and CBSNs' challenges.Simulation results demonstrate that the proposed MAC, routing and anomaly detection schemes outperform the existing algorithms, and present strong solutions that satisfy BSNs and CBSNs' requirements., Les réseaux de capteurs corporels (RC2) sont constitués de bio-capteurs à faibles ressources énergétiques et de calcul. Ils collectent des données physiologiques du corps humain et de son environnement, et les transmettent à un coordinateur comme le PDA (Personal Digital Assistant) ou un smartphone, pour être acheminé ensuite aux experts de santé. Les réseaux de capteurs corporels collaboratifs (RC3) sont une collection de RC2 qui se déplacent dans une zone donnée et collaborent,interagissent et échangent des données entre eux pour identifier l'activité du groupe et surveiller l'état individuel et collectif des participants. Dans les réseaux RC2 et RC3, l'envoi de données de manière fiable tout en assurant une bonne Quality of Service (QoS) et une latence de données optimisée est crucial, vu la sensibilité des données collectées. La QoS dans ce type de réseaux dépend en grande partie du choix des protocoles de contrôle d'accès MAC (Medium Access Control) et des protocoles de routage, de l'efficacité énergétique, de la précision et de la détection des anomalies.Les protocoles existants dans la littérature et proposés pour les RC2et RC3 présentent de nombreuses limites au niveau de la latence de données, de la fiabilité, et de la détection de pannes. Le travail présenté dans cette thèse a trois objectifs principaux. Le premier consiste à étudier et concevoir de nouveaux algorithmes pour la couche MAC, robustes et capables de répondre aux défis de RC2 et RC3. Pour cela, nous avons conçu un nouveau protocole MAC qui prend en considération le trafic élevé et les contraintes de ressources dans ces types de réseaux, ainsi que la latence des données et l'urgence de relayer les informations sensibles. Le deuxième objectif consiste à proposer des protocoles de routage efficaces en termes de consommation d'énergie et de calcul, adaptés aux RC2 et RC3. Le troisième objectif est dédiée à l'étude d'un algorithme d’échantillonnage de données permettant de réduire la quantité de données collectées et transmises dans le réseau, sans perte d'information. Notre approche garantit la détection et l'envoi d'information en cas d'urgence tout en optimisant la consommation énergétique des nœuds. Pour montrer l'efficacité de nos approches, nous les avons testées dans un environnement de simulation OPNet dédié aux réseaux de capteurs et nous les avons comparées à plusieurs protocoles existants. Les résultats obtenus montrent l'efficacité de ces protocoles en termes d'optimisation de la consommation d'énergie, de latence et d'intégrité des données, et de détection d'anomalies.

Massive machine-type communication (mMTC) is one of the main services delivered by the 5G mobile network. mMTC represents a major challenge for 5G network since it is characterized by a large number of low complexity devices thats end small data packets. Moreover, mMTC devices are often battery-powered, and the battery is expected to operate for long periods without being recharged or replaced. Traditional cellular networks, which are designed for human communications, are not energy efficient for this type of service. To address this problem, in this thesis, we study the use of Device-to-Device(D2D) relaying as a complementary transmission. In this approach, the mMTC device can transmit its data using a nearby UE as a relay. First, we calculate the energy consumed in each phase of the communication process for a device located at the cell border that uses LTE-Mtechnology. Then, using a simple model, we compare the energy consumption of cellular and D2D transmission modes, and we determine the optimal relay location. Through the use of stochastic geometry, we analyze the performance of D2D communication with ARQ and CC-HARQ with regard to the transmission success probability, the average number of transmissions, and MTD energy consumption. Finally, we propose an energy-efficient D2D relaying mechanism suitable for mMTC applications thanks to its easy implementation. This mechanism uses a distributed relay selection approach, which prioritizes the selection of the user equipments (UEs) with the best channel qualities. Moreover, we present a tractable model to evaluate the performance of our mechanism.; Les communications massives pour l’Internet des objets sont l'un des principaux services fournis par le réseau mobile de cinquième génération (5G). L’Internet des objets (IoT) représente un défi majeur pour les réseaux cellulaires car il se caractérise par un grand nombre d'objets connectés de faible complexité qui envoient de petits paquets de données. Ces objets connectés sont souvent alimentés par batterie, cette batterie devant fonctionner pendant de longues périodes sans avoir besoin d’être rechargée ou remplacée. Les réseaux cellulaires traditionnels, conçus pour les communications humaines, et pas assez économes en énergie, ne sont pas adaptés à ce type de service. Pour résoudre ce problème, dans cette thèse, nous étudions l'utilisation d’un équipement utilisateur de type smartphone comme relais pour transmettre les données de l’objet connecté à proximité. Ce mécanisme est appelé relayage D2D (Device-to-Device). Notre première étude a consisté à évaluer l'énergie consommée par l’objet connecté dans chaque phase du processus de communication lorsqu’il est localisé en bordure de cellule pour la technologie LTE-M. Ensuite, à l'aide d'un modèle simple, nous avons comparé la consommation d'énergie des modes de transmission cellulaire et D2D, et déterminé la localisation optimale du relais. Grâce à l'utilisation de la géométrie stochastique, nous avons ensuite analysé les performances d’une communication D2D utilisant les mécanismes de répétitions ARQ et CC-HARQ en termes de consommation d'énergie. Enfin, nous avons proposé un mécanisme de relayage D2D adapté aux applications IoT, en termes de complexité d’implémentation et de consommation d’énergie. Ce mécanisme utilise une approche de sélection de relais distribuée, qui priorise la sélection des relais bénéficiant des meilleures qualités de canal.

Today's Wireless Sensors Networks (WSNs) are becoming more mobile and are often deployed in harsh environments. These networks must be autonomous with light maintenance and having an optimized lifetime. Moreover, these networks suffer from interferences between these different technologies (cross) or within the same technology (mutual).The aim of this thesis is to ensure wireless communications the Internet of Things (IoT) with high reliability, energy-efficiency and robustness to interferences by efficiently exploiting the characteristics of last generation transceivers within a communication protocol stack.During this thesis, we propose to study channel and interference aware communication protocols for both self-deployment of WSNs in restrictive and constrained environment and energy efficient optimization.We will focus on a static approach in the context of the network deployment automation in restrictive and constrained environments. The protocol will detect, characterize and adapt to channel conditions to optimize the link budget of each link and then diagnostic the deployment.; Aujourd’hui, les réseaux sans fils sont de plus en plus mobiles et sont déployés dans des environnements souvent très contraignants. Ces réseaux doivent être autonomes avec peu de maintenance et avoir une durée de vie optimisée. De plus, ces réseaux souffrent d’interférence entre les différentes technologies (cross) ou au sein de la même technologie (mutual). L’objectif de cette thèse est de garantir des communications sans fils pour l’internet des Objets (IoT) ultra-fiables, efficaces énergétiquement et robustes aux interférences en exploitant efficacement les caractéristiques des nouvelles radios au sein d’une pile protocolaire de communication.Durant cette thèse, nous proposons d’étudier de nouveaux protocoles de communication adaptatifs aux conditions du canal et d’interférence visant à la fois l’auto-déploiement de réseaux de capteurs dans des environnements contraignants et l’optimisation de la durée de vie du réseau dans des environnements contraignants.Nous nous concentrerons sur une approche statique dans le cadre de l’automatisation du déploiement de réseaux dans des environnements contraignants. Le protocole détectera, caractérisera et s’adaptera aux conditions du canal (pseudo statique) pour optimiser le bilan de liaison de chaque lien puis diagnostiquera le déploiement.

Today's Wireless Sensors Networks (WSNs) are becoming more mobile and are often deployed in harsh environments. These networks must be autonomous with light maintenance and having an optimized lifetime. Moreover, these networks suffer from interferences between these different technologies (cross) or within the same technology (mutual).The aim of this thesis is to ensure wireless communications the Internet of Things (IoT) with high reliability, energy-efficiency and robustness to interferences by efficiently exploiting the characteristics of last generation transceivers within a communication protocol stack.During this thesis, we propose to study channel and interference aware communication protocols for both self-deployment of WSNs in restrictive and constrained environment and energy efficient optimization.We will focus on a static approach in the context of the network deployment automation in restrictive and constrained environments. The protocol will detect, characterize and adapt to channel conditions to optimize the link budget of each link and then diagnostic the deployment.; Aujourd’hui, les réseaux sans fils sont de plus en plus mobiles et sont déployés dans des environnements souvent très contraignants. Ces réseaux doivent être autonomes avec peu de maintenance et avoir une durée de vie optimisée. De plus, ces réseaux souffrent d’interférence entre les différentes technologies (cross) ou au sein de la même technologie (mutual). L’objectif de cette thèse est de garantir des communications sans fils pour l’internet des Objets (IoT) ultra-fiables, efficaces énergétiquement et robustes aux interférences en exploitant efficacement les caractéristiques des nouvelles radios au sein d’une pile protocolaire de communication.Durant cette thèse, nous proposons d’étudier de nouveaux protocoles de communication adaptatifs aux conditions du canal et d’interférence visant à la fois l’auto-déploiement de réseaux de capteurs dans des environnements contraignants et l’optimisation de la durée de vie du réseau dans des environnements contraignants.Nous nous concentrerons sur une approche statique dans le cadre de l’automatisation du déploiement de réseaux dans des environnements contraignants. Le protocole détectera, caractérisera et s’adaptera aux conditions du canal (pseudo statique) pour optimiser le bilan de liaison de chaque lien puis diagnostiquera le déploiement.

Cluster-based multi/many-core platforms represent promising solutions to deliver high computing performance and energy efficiency in modern embedded systems. These platforms often support per-cluster Dynamic Voltage/Frequency Scaling (DVFS), allowing different clusters to change their own v/f levels independently. The increasing application complexity and application dynamism on such platforms arise the need for run-time management. This dissertation focuses on the run-time management of applications on cluster-based multi/many-core systems to improve energy efficiency.Towards the run-time management purpose this dissertation presents different management strategies that estimate the mutual influence between application mapping and cluster v/f configurations to respectively achieve local optimization within a cluster and global optimization in the overall system. The proposed management strategies can achieve near-optimal management solutions with less strategy complexity compared to state-of-the-art strategies. In addition, this dissertation presents a new modelling and simulation approach that allows the evaluation of run-time management strategies in multi/many-core systems to guarantee that system constraints are fully met. The proposed simulation approach is validated using an industrial modelling and simulation framework.; Les plates-formes multi/multi-cœurs organisées en clusters représentent des solutions prometteuses pour fournir des performances de calcul élevées et une efficacité énergétique optimisée dans les systèmes embarqués modernes. Ces plates-formes prennent souvent en charge la gestion dynamique tension/fréquence (DVFS) par cluster, ce qui permet à différents clusters de modifier leurs propres niveaux tension/ fréquence indépendamment. La complexité et le dynamisme croissants des applications sur ces plates-formes rendent nécessaire la gestion en ligne des ressources. Ce mémoire se concentre sur les méthodes de gestion en ligne des applications sur des systèmes multi/multi-cœurs en cluster pour améliorer l'efficacité énergétique. Cette thèse présente différentes stratégies de gestion qui permettent d'estimer l'influence mutuelle entre l'allocation des applications et la configuration en tension/fréquence des clusters afin d'obtenir respectivement une optimisation locale au sein d'un cluster et une optimisation globale dans l'ensemble du système. Les stratégies proposées permettent d'obtenir des solutions de gestion optimisées avec moins de complexité que les stratégies existantes. De plus, cette thèse présente une nouvelle approche de modélisation et de simulation qui permet d'évaluer les stratégies de gestion en ligne dans les systèmes multi/multi-cœurs pour garantir que les contraintes du système sont pleinement respectées. L'approche de simulation proposée est validée à l'aide d'un cadre de modélisation et de simulation industrielle.

For years, the energy consumption of the data center has dramatically increased followed by the explosion of demand in cloud computing. This thesis addresses the scientific challenge of energy modeling of a data center, based on the most important variables. With such modeling, an data center operator will be able to better reallocate / design the current / future data centers. In order to identify the energy impacts of hardware and software used in computer systems. In the first part of the thesis, to identify and characterize the uncertainties of energy consumption introduced by external elements: thermal effects, difference between identical processors caused by imperfect manufacturing process, precision problems resulting from power measurement tool, etc. We have completed this scientific study by developing a global power modeling for a given physical cluster, this cluster is composed by 48 identical servers and equipped with a direct expansion cooling system, conventionally used today for modern data centers. The modeling makes it possible to estimate the overall energy consumption of the cluster based on operational configurations and data relating to IT activity, such as ambient temperature, cooling system configurations and server load.; Depuis des années, la consommation énergétique du centre de donnée a pris une importance croissante suivant une explosion de demande dans cloud computing. Cette thèse aborde le défi scientifique de la modélisation énergétique d’un centre de données, en fonction des paramètres les plus importants. Disposant d’une telle modélisation, un opérateur pourrait mieux repenser / concevoir ses actuels / futurs centre de données. Pour bien identifier les impacts énergétiques des matériels et logiciels utilisés dans les systèmes informatiques. Dans la première partie de la thèse, nous avons réaliser un grand nombre évaluations expérimentales pour identifier et caractériser les incertitudes de la consommation d’énergie induite par les éléments externes : effets thermiques, différencesentre des processeurs identiques causées par un processus de fabrication imparfait, problèmes de précision issus d’outil de mesure de la puissance, etc. Nous avons terminé cette étude scientifique par le développement d’une modélisation global pour un cluster physique donné, ce cluster est composé par 48 serveurs identiques et équipé d’un système de refroidissement à expansion à direct, largement utilisé aujourd’hui pour les datacenters modernes. La modélisation permet d’estimer la consommation énergétique globale en fonction des configurations opérationnelles et des données relatives à l’activité informatique, telles que la température ambiante, les configurations du système de refroidissement et la charge des serveurs.

For years, the energy consumption of the data center has dramatically increased followed by the explosion of demand in cloud computing. This thesis addresses the scientific challenge of energy modeling of a data center, based on the most important variables. With such modeling, an data center operator will be able to better reallocate / design the current / future data centers. In order to identify the energy impacts of hardware and software used in computer systems. In the first part of the thesis, to identify and characterize the uncertainties of energy consumption introduced by external elements: thermal effects, difference between identical processors caused by imperfect manufacturing process, precision problems resulting from power measurement tool, etc. We have completed this scientific study by developing a global power modeling for a given physical cluster, this cluster is composed by 48 identical servers and equipped with a direct expansion cooling system, conventionally used today for modern data centers. The modeling makes it possible to estimate the overall energy consumption of the cluster based on operational configurations and data relating to IT activity, such as ambient temperature, cooling system configurations and server load.; Depuis des années, la consommation énergétique du centre de donnée a pris une importance croissante suivant une explosion de demande dans cloud computing. Cette thèse aborde le défi scientifique de la modélisation énergétique d’un centre de données, en fonction des paramètres les plus importants. Disposant d’une telle modélisation, un opérateur pourrait mieux repenser / concevoir ses actuels / futurs centre de données. Pour bien identifier les impacts énergétiques des matériels et logiciels utilisés dans les systèmes informatiques. Dans la première partie de la thèse, nous avons réaliser un grand nombre évaluations expérimentales pour identifier et caractériser les incertitudes de la consommation d’énergie induite par les éléments externes : effets thermiques, différencesentre des processeurs identiques causées par un processus de fabrication imparfait, problèmes de précision issus d’outil de mesure de la puissance, etc. Nous avons terminé cette étude scientifique par le développement d’une modélisation global pour un cluster physique donné, ce cluster est composé par 48 serveurs identiques et équipé d’un système de refroidissement à expansion à direct, largement utilisé aujourd’hui pour les datacenters modernes. La modélisation permet d’estimer la consommation énergétique globale en fonction des configurations opérationnelles et des données relatives à l’activité informatique, telles que la température ambiante, les configurations du système de refroidissement et la charge des serveurs.

Energy transition research (TEs) to sustainability leaves unanswered the question on the true sustainability of the TEs. Within the framework of a “disagreements understanding” process, we have highlighted the differences between TEs of low and strong sustainability. Then, we assessed whether the changes in the dynamics of thermal rehabilitations, especially for individual houses, can be part of efficient energy transition operations in France. This assessment was based on a longitudinal analysis of the dynamics of change within four co-evolving fields: cultural, organizational, institutional and infrastructural. Our results show that the energy transition process is still in its very early stages. What appears to hinder this process is not the absence of technical solutions, but rather a lack of organization and cooperation among the actors along with a cultural backwardness. Eventually, some tools have been analyzed in order to test their efficiency. We have pointed out that custom assistive devices (such as Oktave) are an important key of success and allow to implement logics of complex changes which are required to move towards a very high sustainability transition., La recherche sur la transition énergétique (TE) vers la durabilité laisse sans réponse la question sur la durabilité réelle des TE. En s’inscrivant dans une démarche de « compréhension des désaccords » nous avons souligné les différences entre une TE de « durabilité faible » et « forte ». Ensuite, nous avons évalué si, en France, les changements dans la dynamique des rénovations thermiques notamment des maisons individuelles peuvent s’inscrire dans des opérations de transition énergétique efficaces. Cette évaluation s’est faite à partir d’analyses longitudinales des dynamiques de changement au sein de quatre domaines qui co-évoluent : culturel, organisationnel, institutionnel et infrastructurel. Nos résultats montrent que le processus de transition énergétique n’en est qu’à ses débuts. Ce qui semble freiner ce processus n’est pas l’absence de solutions techniques, mais un manque d'organisation et de coopération entre les acteurs et surtout un retard dans la culture de l’efficacité énergétique très performante. Enfin, certains outils ont été analysés pour tester leur efficacité. Nous avons montré que les dispositifs personnalisés d’accompagnement aux habitants (comme le dispositif Oktave mis en place en Région Grand-Est) sont une clé importante de réussite et permettent d’intégrer des logiques de changements complexes, nécessaires pour tendre vers une TE de durabilité forte.

Wireless sensor networking is ingratiating itself into almost every area of human endeavors. Its drivers include its usages, improvements in microelectronics and manufacturing techniques. The network is made up of multiple tiny sensor nodes deployed in the area to be sensed, with nodes having processing, communicating, and sensing capabilities that enable them to perform their function collaboratively. Nodes sense events and transmit their data to the sink directly or through intermediate nodes acting as relay.Despite all the tremendous advances that have been made on this technology over the past few years, energy has not kept pace. This is based mostly on the fact that battery is its main source of energy. Furthermore, some applications of the network may preclude batteries from either being recharged or changed after deployment.A renowned solution to energy efficiency is duty cycling. This is the periodic or aperiodic placing of a node in an active and an inactive state. This introduces network performance issues of availability, latency, and packet delivery ratio, all linked to the fact that once a node is inactive or off, it is unavailable to communicate. It is therefore important to look for means of still applying duty cycling yet not losing out in availability, latency, and packet delivery ratio.In this dissertation we employ duty cycle on topology management to extend the network lifetime. We propose five algorithms to build various topologies that we divide into two classes. The first class enables nodes to arrange themselves into repetitive and interleaving sets. That is, nodes in the same set repeat themselves on the ground such that a set spans the entire area to be sensed. The second class of algorithms arranges nodes in continuous successive sets with members of a set covering a transmission range. We demonstrate the set formation experimentally.Building on the continuous set formation we propose two algorithms that build disjoint virtual backbone networks, with the disjointedness used for activity scheduling. We then measure the performances of the algorithms notably the approximation ratio and find it quite low (in the order of 3.5) compared to what is obtained in the literature.Finally, we propose a sleep and relay protocol that works on these topologies. Nodes sleep in sets and the activeness is relayed between sets. We evaluate the performance of this protocol and confirm that it actually leads to increase energy savings while not deteriorating other network performance metrics, like latency and packet delivery ratio., La mise en réseau de capteurs sans fil s'intègre dans presque tous les domaines des activités humaines. Les moteurs de cette technologie comprennent ses domaines d'application et les améliorations des techniques de fabrication microélectroniques. Le réseau est constitué de plusieurs nœuds de capteurs de petite taille déployés dans la zone à détecter. Les nœuds ont des capacités de traitement, de communication et de détection qui leur permettent d'exécuter leur fonction de manière collaborative. Ils détectent les événements et transmettent les informations à un puits directement ou via des nœuds intermédiaires servant de relais.Des progrès considérables ont été réalisés sur cette technologie au cours des dernières années, cependant la gestion de l’énergie n’a pas connu la même évolution. Ceci est principalement dû au fait que la batterie est la principale source d'énergie. De plus, l’environnement du réseau peut empêcher les batteries d'être rechargées ou changées après le déploiement.Une solution classique à ce problème d'efficacité énergétique réside dans la gestion des cycles d’activation. Il s'agit d’alterner, de façon périodique ou non, les états actif et inactif des nœuds. Cela introduit des problèmes de performances réseaux en termes de disponibilité, de latence et de taux d’acheminement des paquets, car les nœuds inactifs ne participent pas aux communications. Il est donc important de trouver des solutions permettant d’utiliser les cycles d’activation tout en garantissant la disponibilité et en réduisant la latence et le taux de perte de paquets.Dans cette thèse, nous utilisons le cycle d’activation en combinaison avec la gestion de la topologie pour prolonger la durée de vie du réseau. Nous proposons cinq algorithmes pour construire différentes topologies que nous divisons en deux classes. La première classe organise les nœuds en ensembles de manière répétitive et entrelacée. C'est-à-dire que les nœuds appartenant à différents ensembles sont intercalés de manière à assurer la continuité des communications. La seconde classe d'algorithmes organise les nœuds en ensembles successifs en couronne. Nous avons montré expérimentalement la construction des différents ensembles.En utilisant la construction successive d’ensembles, nous proposons deux algorithmes qui construisent des réseaux dorsaux (backbones) virtuels disjoints pouvant être activés alternativement. Une évaluation des algorithmes fait ressortir leur efficacité, avec notamment un facteur d’approximation faible (de l’ordre de 3.5) en comparaison avec ceux des travaux de la littérature.Nous proposons ensuite un protocole basé sur les mécanismes de sommeil et relais sur ces topologies. Les périodes d’activité/inactivité sont définies par ensemble. Les résultats expérimentaux montrent que ce protocole permet une économie d’énergie sans dégrader les critères de performance tels que la latence et le taux d’acheminement des paquets.

The transportation sector is a major contributor to both air pollution and greenhouse gas emissions. Hybrid electric vehicles can reduce fuel consumption and CO2 emissions by optimizing the energy management of the powertrain. The purpose of this study is to examine the trade-off between regulated pollutant emissions and hybrid powertrain efficiency. The thermal dynamics of the three-way catalyst are taken into account in order to optimize the light-off. Experimental campaigns are conducted on a spark-ignition engine to introduce simplified models for emissions, exhaust gas temperature, catalyst heat transfers and efficiency. These models are used to determine the optimal distribution of a power request between the thermal engine and the electric motor with three-dimensional dynamic programming and a weighted objective function. A pollution-centered scenario is compared with a consumption-centered scenario for various driving cycles. The optimal torque distribution for the emissions-centered scenario on the world harmonized light-duty vehicles test cycle shows an 8–33% decrease in pollutant emissions while the consumption remains stable (0.1% increase). The consistency of the results is analyzed with respect to the discretization parameters, driving cycle, electric motor and battery sizing, as well as emission and catalyst models. The control strategies are promising but will have to be adapted to online engine control where the driving cycle and the catalyst efficiency are uncertain.

From image recognition to automated driving, machine learning nowadays is all around us and impacts various aspects of our daily lives. This disruptive technology is rapidly evolving at a huge cost in terms of energy consumption. Machine learning models are usually trained on powerful GPUs, limiting the potential for edge computing. Processing data locally instead of relying on cloud computing brings about improvements in speed and latency, which are essential for real-time applications. The field of neuromorphic engineering tries to solve the energy bottleneck problem through bio-inspired hardware and computation techniques. In particular, neuromorphic vision sensors feature independent pixels that asynchronously generate millions of events per second with high temporal precision, depending on the dynamics of a visual scene. The goal of this thesis is to take advantage of precise timing on neuromorphic architectures in order to develop computationally-efficient learning algorithms. We approach the issue through two different perspectives: spiking neural networks and probabilistic models. We introduce a delay-learning rule for spiking neural networks that relies on highly redundant sparse connectivity. We also develop bio-inspired learning techniques on a dedicated hardware with ultra-low power requirements and latency. The system implements synaptic plasticity using a memristive crossbar array to learn from the output of event-based vision sensors in the context of autonomous driving. When working with very large streams of events, we introduce two clustering techniques based on Gaussian mixture models that set a new state of the art in terms of computational efficiency., De la reconnaissance d’image à la conduite autonome, l’apprentissage machine est omniprésent dans notre vie quotidienne. Cette technologie de rupture évolue rapidement mais consomme énormément d’énergie. Les modèles d’apprentissage actuels utilisent généralement des GPU puissants qui ne permettent pas de traiter des données localement, alors que ceci améliore la vitesse et la latence indispensables aux applications en temps réel. De ce fait, le domaine de l’ingénierie neuromorphique tente de résoudre ce problème et de baisser le budget énergétique grâce à l’introduction des systèmes et des techniques d’apprentissage bio-inspirés comme notamment les capteurs de vision événementiels. Ces derniers comportent des pixels indépendants qui génèrent de manière asynchrone des millions d’événements par seconde avec une grande précision temporelle, en fonction de la dynamique d’une scène visuelle. Le but de cette thèse est de tirer profit de la précision temporelle des architectures neuromorphiques afin de développer des algorithmes d’apprentissage efficaces. Nous abordons la problématique selon deux approches différentes : celle des réseaux de neurones impulsionnels et celle des modèles probabilistes. D’abord, nous présentons un système d’apprentissage à délai pour les réseaux de neurones impulsionnels qui repose sur une connectivité éparse et hautement redondante. Ensuite, nous proposons des techniques d’apprentissage bio-inspirées sur du matériel dédié à basse latence et consommation énergétique. Le système implémente la plasticité synaptique à l’aide d’un réseau de memristors, pour l’apprentissage à partir de capteurs de vision événementiels dans le contexte de la conduite autonome. Enfin, nous introduisons deux techniques de partitionnement basées sur des modèles de mélange de gaussiennes qui établissent un nouvel état de l’art en termes d’efficacité de calcul.

QUB is a dynamic in-situ thermal characterization test method that has the potential to be conducted in a short duration of one to two nights. The robustness of QUB method with uncertainty in power level (during QUB heating phase), uncertainty in overall heat transfer coefficient at steady state, H_ref, and the outdoor temperatures a function of seasons needs to be established for real buildings.A dynamic state-space model is developed in this thesis to simulate QUB experiments. The state-space modelling involves generating a thermal circuit for each component of the building (walls, fenestration, ventilation system, etc.). The thermal circuits are then assembled to generate a single circuit for the entire building. The state-space model developed, is validated using thermal characteristics and measured data of a full-scale house (the twin house) provided by IEA EBC Annex 58. The numerical simulations of the QUB experiments on a house show that the method has only slight variation with uncertainty in power; for example, 30% error in optimum power can cause an error within 3 % of the reference value. A posteriori error analysis is performed by simulating QUB experiments in situations in which the real envelope has different characteristics than those assumed in the design of the experiment for QUB method. These results are then compared with a priori errors, a situation in which QUB experiments are performed with the knowledge of the real envelope. The error analysis shows that with 50 % error in the overall heat transfer coefficient (i.e. missing wall insulation situation), the QUB method results in an increased error of only 3¬¬ %. The precision of QUB method was tested also with the variation of solar radiation. QUB results on cloudy days show lesser variation as compared to sunny days. It was shown that the heat transfer from the delayed solar radiations entering through the walls of the building has an effect on the temperature evolution during the QUB experiment. This can lead to an increased error in QUB method. The QUB experiments are simulated during summer and winter to determine the impact of seasons on the accuracy of the method. The winter season shows more robust results as compared to summer months. The summer months show larger variation of results. It is verified that the large variation are due to small temperature difference between indoor and outdoor conditions during some of the summer nights. The experiments in summer season can be improved by increasing the set point temperature before the QUB experiment., QUB est une méthode d'essai de caractérisation thermique in situ dynamique qui a le potentiel d'être menée sur une courte durée d'une à deux nuits. La robustesse de la méthode QUB avec l'incertitude du niveau de puissance (pendant la phase de chauffage QUB), l'incertitude du coefficient de transfert de chaleur global à l'état d'équilibre, H_ref, et les températures extérieures en fonction des saisons doivent être établies pour les bâtiments réels. Un modèle dynamique d'état-espace est développé dans cette thèse pour simuler des expériences QUB. La modélisation espace-état consiste à générer un circuit thermique pour chaque composant du bâtiment (murs, fenestration, système de ventilation, etc.). Les circuits thermiques sont ensuite assemblés pour générer un seul circuit pour l'ensemble du bâtiment. Le modèle d'espace d'état développé, est validé à l'aide des caractéristiques thermiques et des données mesurées d'une maison à grande échelle (la maison jumelle) fournies par l'annexe 58 de l'IEA EBC. Les simulations numériques des expériences QUB sur une maison montrent que la méthode ne présente que de légères variations avec une incertitude de puissance; par exemple, une erreur de 30% de la puissance optimale peut provoquer une erreur à moins de 3% de la valeur de référence. Une analyse d'erreur a posteriori est effectuée en simulant des expériences QUB dans des situations où l'enveloppe réelle a des caractéristiques différentes de celles supposées dans la conception de l'expérience pour la méthode QUB. Ces résultats sont ensuite comparés à des erreurs a priori, une situation dans laquelle des expériences QUB sont effectuées avec la connaissance de l'enveloppe réelle. L'analyse des erreurs montre qu'avec une erreur de 50% du coefficient de transfert de chaleur global (c'est-à-dire une situation d'isolation de paroi manquante), la méthode QUB entraîne une erreur accrue de seulement 3¬¬%. La précision de la méthode QUB a également été testée avec la variation du rayonnement solaire. Les résultats QUB les jours nuageux montrent une variation moindre par rapport aux jours ensoleillés. Il a été démontré que le transfert de chaleur des radiations solaires retardées pénétrant à travers les murs du bâtiment a un effet sur l'évolution de la température au cours de l'expérience QUB. Cela peut entraîner une augmentation de l'erreur dans la méthode QUB. Les expériences QUB sont simulées pendant l'été et l'hiver pour déterminer l'impact des saisons sur la précision de la méthode. La saison d'hiver montre des résultats plus robustes que les mois d'été. Les mois d'été montrent une plus grande variation des résultats. Il est vérifié que la grande variation est due à une petite différence de température entre les conditions intérieures et extérieures pendant certaines des nuits d'été. Les expériences en saison estivale peuvent être améliorées en augmentant la température de consigne avant l'expérience QUB.

Energy transition research to sustainability (TEs) leaves unanswered the question on the true sustainability of the TEs. Within the framework of a “disagreements understanding” process, we have highlighted the differences between TEs of low and strong sustainability. Then, we assessed whether the changes in the dynamics of thermal rehabilitations, especially for individual houses, can be part of efficient energy transition operations in France. This assessment was based on a longitudinal analysis of the dynamics of change within four co-evolving fields : cultural, organizational, institutional and infrastructural. Our results show that the energy transition process is still in its very early stages. What appears to hinder this process is not the absence of technical solutions, but rather a lack of organization and cooperation among the actors along with a cultural backwardness. Eventually, some tools have been analyzed in order to test their efficiency. We have pointed out that custom assistive devices (such as Oktave) allow to implement logics of complex changes which are required to move towards a very high sustainability transition., La recherche sur la transition énergétique (TE) vers la durabilité laisse sans réponse la question sur la durabilité réelle des TE. En s’inscrivant dans une démarche de « compréhension des désaccords » nous avons souligné les différences entre une TE de « durabilité faible » et « forte ». Ensuite, nous avons évalué si, en France, les changements dans la dynamique des rénovations thermiques notamment des maisons individuelles peuvent s’inscrire dans des opérations de transition énergétique efficaces. Cette évaluation s’est faite à partir d’analyses longitudinales des dynamiques de changement au sein de quatre domaines : culturel, organisationnel, institutionnel et infrastructurel. Nos résultats montrent que le processus de TE n’en est qu’à ses débuts. Ce qui semble freiner ce processus n’est pas l’absence de solutions techniques, mais un manque de coopération entre les acteurs et un retard dans la culture de l’efficacité énergétique très performante. Enfin, certains outils ont été analysés pour tester leur efficacité. Nous avons montré que l’accompagnement personnalisé aux habitants (exemple Oktave) permet de tendre vers une TE de durabilité forte.

Cluster-based multi/many-core platforms represent promising solutions to deliver high computing performance and energy efficiency in modern embedded systems. These platforms often support per-cluster Dynamic Voltage/Frequency Scaling (DVFS), allowing different clusters to change their own v/f levels independently. The increasing application complexity and application dynamism on such platforms arise the need for run-time management. This dissertation focuses on the run-time management of applications on cluster-based multi/many-core systems to improve energy efficiency.Towards the run-time management purpose this dissertation presents different management strategies that estimate the mutual influence between application mapping and cluster v/f configurations to respectively achieve local optimization within a cluster and global optimization in the overall system. The proposed management strategies can achieve near-optimal management solutions with less strategy complexity compared to state-of-the-art strategies. In addition, this dissertation presents a new modelling and simulation approach that allows the evaluation of run-time management strategies in multi/many-core systems to guarantee that system constraints are fully met. The proposed simulation approach is validated using an industrial modelling and simulation framework., Les plates-formes multi/multi-cœurs organisées en clusters représentent des solutions prometteuses pour fournir des performances de calcul élevées et une efficacité énergétique optimisée dans les systèmes embarqués modernes. Ces plates-formes prennent souvent en charge la gestion dynamique tension/fréquence (DVFS) par cluster, ce qui permet à différents clusters de modifier leurs propres niveaux tension/ fréquence indépendamment. La complexité et le dynamisme croissants des applications sur ces plates-formes rendent nécessaire la gestion en ligne des ressources. Ce mémoire se concentre sur les méthodes de gestion en ligne des applications sur des systèmes multi/multi-cœurs en cluster pour améliorer l'efficacité énergétique. Cette thèse présente différentes stratégies de gestion qui permettent d'estimer l'influence mutuelle entre l'allocation des applications et la configuration en tension/fréquence des clusters afin d'obtenir respectivement une optimisation locale au sein d'un cluster et une optimisation globale dans l'ensemble du système. Les stratégies proposées permettent d'obtenir des solutions de gestion optimisées avec moins de complexité que les stratégies existantes. De plus, cette thèse présente une nouvelle approche de modélisation et de simulation qui permet d'évaluer les stratégies de gestion en ligne dans les systèmes multi/multi-cœurs pour garantir que les contraintes du système sont pleinement respectées. L'approche de simulation proposée est validée à l'aide d'un cadre de modélisation et de simulation industrielle.

Recently, we have observed a continuous interest in mobility modeling and simulation either for tactical mobility or for intelligent mobility in traffic systems. The rapid advent of ad hoc networks and their ability to provide efficient wireless applications have encouraged researchers to think about new solutions and application fields for tactical networks and Intelligent Transportation Systems (ITS). As an essential feature of ad hoc networks, the mobility of devices and their ability to communicate with each other without the need of a pre-established infrastructure, based on a self organization mechanism, is considered to be an attractive feature in order to build realistic applications and protocols. Therefore, the need for mobility models is one of the most important components to enable extensive evaluation, analysis, and comparison of such applications and protocols, before they are officially adopted for use. Since most of the scenarios in the real world are based on nodes mobility including, intelligent vehicles, persons and drones, we are interested in studying mobility modeling, in order to search, as realistically as possible, for the efficient mobility behaviors for such real-world scenarios. We focus principally on mobility modeling as a basic component to provide efficient analyzing of the dynamicity of nodes in tactical networks, and also to understand traffic systems behaviors in order to design intelligent mobility schemes for transportation systems and smart cities. We began our research by investigating the mobility behaviors to extract their intrinsic properties and to be able to propose more accurate approaches. After that, our attention is oriented to adopt specifications and tools needed to design mobility behaviors of tactical networks, as well as to realize intelligent mobility strategies for providing efficient services in smart cities. In this thesis, we are interested on studying some mobility models of tactical scenarios in Mobile Ad Hoc Networks (MANETs) and Wireless Sensor Networks (WSNs) in order to provide strong simulation tools for studying and analyzing some frequently encountered challenges in wireless networks, including topology change, communication reliability, and energy efficiency. We have been interested in the dynamicity of the tactical network and in particular in dismounted soldiers dynamic which is very interesting for modern wars. Moreover, we provided extensive simulations of sensor networks based on a tactical scenario, to highlight the relationship between tactical mobility and energy efficiency. Another subject of interest we are concerned with is smart city. Before we gain insight into the specificities of intelligent mobility in traffic systems and smart cities, our interest was oriented first to mobility modeling based on cellular automata, which are known as a microscopic model. The purpose behind this choice is to take a first step towards understanding traffic systems before going through intelligent mobility in smart cities. Then, our attention is directed towards both mobility and communication in vehicular environment called VANETs, which enables us to study the real-time interaction either between Vehicles (V2V) or either between vehicles and infrastructure (V2I). This study allowed us to consider new solutions of the problems related to ITS, including traffic congestion, traffic jams, and accidents. We address precisely both the problem of traffic congestion and collision situations at traffic intersections. The purpose of such a study is to improve traffic flow in transportation systems by profiting from new wireless technologies to immigrate towards smart traffic mobility, which is currently one of the most fundamental service that must be available in smart cities. We adopted cooperative strategies between vehicles (V2V) and between vehicles and infrastructure (V2I). Accordingly, we introduced a path planning strategy to avoid traffic problems by reducing travel times on-road segments. This developed path planning strategy allows the driver to get timely short paths based on received information about the traffic state in each road segment. In the context of intersection collisions, we developed an approach based on a periodic exchange of beacons between approaching vehicles to the intersection to estimate and to avoid collisions at the intersection., Récemment, nous avons observé un intérêt continu pour la modélisation et la simulation de la mobilité soit pour la mobilité tactique, soit pour la mobilité intelligente dans les systèmes de trafic. L'avènement rapide des réseaux ad hoc et leur capacité à fournir des applications sans fil efficaces ont encouragé les chercheurs à réfléchir à de nouvelles solutions et domaines d'application pour les réseaux tactiques et les systèmes de transport intelligents (STI). En tant que caractéristique essentielle des réseaux ad hoc, la mobilité des appareils et leur capacité à communiquer entre eux sans avoir besoin d'une infrastructure préétablie, basée sur un mécanisme d'auto-organisation, est considérée comme une caractéristique attrayante afin de construire des applications et protocoles. Par conséquent, le besoin de modèles de mobilité est l'un des éléments les plus importants pour permettre une évaluation, une analyse et une comparaison approfondies de ces applications et protocoles, avant qu'ils ne soient officiellement adoptés pour utilisation. Étant donné que la plupart des scénarios du monde réel sont basés sur la mobilité des nœuds, y compris les véhicules intelligents, les personnes et les drones, nous nous intéressons à l'étude de la modélisation de la mobilité, afin de rechercher, de la manière la plus réaliste possible, les comportements de mobilité efficaces pour des scénarios plus réalistes. Nous nous concentrons principalement sur la modélisation de la mobilité en tant que composant de base pour fournir une analyse efficace de la dynamique des nœuds dans les réseaux tactiques, et également pour comprendre les comportements des systèmes de trafic afin de concevoir des schémas de mobilité intelligents pour les systèmes de transport et les villes intelligentes. Nous avons commencé nos recherches en étudiant les comportements de mobilité pour en extraire leurs propriétés intrinsèques et pouvoir proposer des approches plus précises. Après cela, notre attention est orientée vers l'adoption des spécifications et des outils nécessaires pour concevoir les comportements de mobilité des réseaux tactiques, ainsi que pour réaliser des stratégies de mobilité intelligentes pour fournir des services efficaces dans les villes intelligentes. Dans cette thèse, nous nous intéressons à l'étude de certains modèles de mobilité de scénarios tactiques dans les réseaux mobiles ad hoc (MANET) et les réseaux de capteurs sans fil (WSN) afin de fournir des outils de simulation puissants pour étudier et analyser certains défis fréquemment rencontrés dans les réseaux sans fil, notamment changement de topologie, fiabilité des communications et efficacité énergétique. Nous nous sommes intéressés à la dynamique du réseau tactique et en particulier à la dynamique des soldats débarqués ce qui est très intéressant pour les guerres modernes. De plus, nous avons fourni des simulations approfondies de réseaux de capteurs basées sur des scénarios tactiques, pour mettre en évidence la relation entre la mobilité tactique et l'efficacité énergétique. Un autre sujet d'intérêt qui nous intéresse est la ville intelligente. Avant d'appréhender les spécificités de la mobilité intelligente dans les systèmes de circulation et les villes intelligentes, notre intérêt s'est d'abord orienté vers la modélisation de la mobilité basée sur des automates cellulaires, appelés modèles microscopiques. L'objectif de ce choix est de faire un premier pas vers la compréhension des systèmes de trafic routier avant de passer par la mobilité intelligente dans les villes intelligentes. Ensuite, notre attention se porte à la fois sur la mobilité et la communication en environnement véhiculaire appelés VANETs, ​​ce qui nous permet d'étudier l'interaction en temps réel soit entre Véhicules (V2V) soit entre véhicules et infrastructures (V2I). Cette étude nous a permis d'envisager de nouvelles solutions aux problèmes liés aux STI, notamment les embouteillages, les embouteillages et les accidents. Nous abordons précisément à la fois le problème des embouteillages et les situations de collision aux carrefours. Le but d'une telle étude est d'améliorer la fluidité du trafic routier dans les systèmes de transport en profitant des nouvelles technologies sans fil pour immigrer vers la mobilité intelligente du trafic, qui est actuellement l'un des services les plus fondamentaux qui doivent être disponibles dans les villes intelligentes. Nous avons adopté des stratégies de coopération entre véhicules (V2V) et entre véhicules et infrastructures (V2I). En conséquence, nous avons mis en place une stratégie de planification en temps réel des trajectoires pour éviter les problèmes liés avec le trafic routier en réduisant les temps de trajet sur les segments de route. Cette stratégie de planification de trajectoires permet au conducteur d'obtenir des trajets courts en temps opportun sur la base des informations reçues à propos de l'état du trafic routier dans chaque segment de route. Dans le contexte des collisions aux intersections, nous avons développé une approche basée sur une communication périodique d'informations entre les véhicules qui s'approchent de l'intersection pour estimer et éviter les collisions à l'intersection.

Energy efficiency improvements is a mechanism used to try to reduce energy consumption. But it may have perverse effects. When the energy performance of a device is improved, the cost of this service for consumers decreases for consumers, whichmay encourage them to consume a larger amount of this service. Themagnitude of this effect, called rebound effect, is still in debate. Wemeasure this effect for individual transport use in France. We showthe rebound effect is dependent on the characteristics of the household (income level, geographical location). We use econometric results to simulate environmental taxation policies., L’amélioration de l’efficacité énergétique est un moyen utilisé pour tenter de limiter la consommation d’énergie. Mais cette politique peut avoir des effets pervers. Quand la performance énergétique d’un équipement est améliorée, le coût de ce service diminue pour le consommateur, ce qui l’incite à consommer une quantité plus importante de ce service. L’ampleur de cet effet, nommé effet rebond, est sujette à débat. Nous estimons cet effet à partir de données individuelles de ménages français. Nous montrons que l’effet rebond est dépendant des caractéristiques du ménage (niveau de revenu, localisation géographique). Nous utilisons des estimations économétriques pour simuler des politiques de fiscalité environnementale., Benjamin Catherine, Giraldo hurtado Alejandra. How do Fuel Taxes Impact Rebound Effect? Empirical Evidence from French Households. In: Économie & prévision, n°216, 2019. Conférence TEPP 2018. pp. 115-132.

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 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 goal of this work is to propose new methods that provide both a high security and a high energy efficiency for integrated circuits for the IoT.On the one side, we study the security of a mechanism dedicated to energy management. Wake-up radios trigger the wake-up of integrated circuits upon receipt of specific wake-up tokens, but they are vulnerable to denial-of-sleep attacks, during which an attacker replays such a token indefinitely to wake-up a circuit and deplete its battery. We propose a new method to generate unpredictable wake-up tokens at each wake-up, which efficiently prevents these attacks at the cost of a negligible energy overhead.On the other side, we improve on the energy efficiency of hardware countermeasures against fault and side-channel attacks, with two different approaches. First, we present a new combined countermeasure, which increases by four times the power consumption compared to an unprotected implementation, introduces no performance overhead, and requires less than 8 bits of randomness. Therefore, it has a lower energy overhead than existing combined protections. It consists in an algorithm-level power balancing that inherently detects faults. Then, we propose an adaptive implementation of hardware countermeasures, which consists in applying or removing these countermeasures on demand, during the execution of the protected algorithm, in order to tune the security level and the energy consumption. A security evaluation of all the proposed countermeasures indicates that they provide an efficient protection against existing hardware attacks.; La sécurité des circuits intégrés pour l’IoT est généralement incompatible avec la faible consommation énergétique attendue de ces circuits. Cette thèse a donc pour but de proposer de nouvelles manières de concilier sécurité et efficacité énergétique pour les circuits intégrés.Dans un premier temps, la sécurisation d’un mécanisme de gestion de l’énergie est étudiée. Les radios de réveil permettent de gérer la sortie de veille d’objets connectés, en réveillant un tel objet lors de la réception d’un code de réveil spécifique, mais elles sont vulnérables aux attaques par déni de sommeil, qui consistent à réveiller constamment l’objet en répétant un même code de réveil de sorte à vider sa batterie. Une nouvelle manière de générer des codes de réveils est proposée, qui permet de contrer efficacement ces attaques avec un coût négligeable en énergie.Dans un second temps, l’efficacité énergétique des contre-mesures contre les attaques matérielles est améliorée à travers deux approches différentes. Une nouvelle contre-mesure mixte, ayant une consommation énergétique plus faible que les protections mixtes existantes, est proposée ; elle consiste en un lissage algorithmique de la consommation offrant une détection intrinsèque des fautes. L’implémentation adaptative de contre-mesures matérielles est également proposée ; elle consiste à moduler le niveau de protection fourni par ces contre-mesures au cours du fonctionnement d’un algorithme protégé, afin d’optimiser la sécurité et la consommation énergétique. Une évaluation de la sécurité des contre-mesures montre qu’elles fournissent une protection efficace contre les attaques matérielles existantes.