UPThèses

Cette thèse s’inscrit dans un contexte de transmission de données (en particulier la transmission d’images) très haut débit sur des canaux radio mobiles. Les systèmes classiques de transmissions numériques font appel à des modulations uniformes qui ne permettent pas d’atteindre les limites théoriques. La technique de mise en forme ou shaping est une alternative qui permet d’approcher une distribution gaussienne des points de la constellation à l’entrée du canal réduisant l’écart résiduel par rapport à la limite théorique. Le gain apporté par la stratégie de mise en forme sera d’autant plus important si cette dernière est utilisée avec la technique BICM. Ainsi, le schéma BICM permet d’atteindre de meilleures performances pour des fortes efficacités spectrales avec une complexité raisonnable. Dans ce contexte, la première partie de cette thèse consiste à investiguer une technique de mise en forme (shaping code) afin qu’elle soit associée à un turbo code duo binaire et des modulations MAQ de différents ordres, formant ainsi un schéma shaping BICM robuste. Cette association a permis d’atteindre un gain très important en termes de TEB ainsi qu’une réduction de l’énergie moyenne de transmission que ce soit pour un canal Gaussien ou pour un canal de type Rayleigh. Ce schéma shaping BICM a été utilisé dans la deuxième partie de cette thèse pour la transmission d’images JPWL à travers un canal MIMO-OFDM sans fil réaliste. La stratégie utilisée dans cette partie consiste à utiliser une approche d’adaptation de lien qui s’appuie sur les techniques UEP, UPA, shaping BICM et prend en compte le contenu hiérarchique d’images JPWL. Elle permet de choisir, avant la transmission de l’image, le jeu de paramètres (rendement du codage source/canal, nombre de couches de qualité pouvant être transmise, ordres des modulations dans chaque sous-couche et le nombre d’itérations dans le turbo décodage) permettant d’atteindre la QdS souhaité. Ceci est fait en fonction du budget de puissance et les conditions du canal avec l’hypothèse d’avoir une connaissance sur l’état du canal à l’émission. Avec la technique shaping BICM, une faible puissance permet d’atteindre un faible TEB même pour de fortes efficacités spectrales. Ceci permet, dans la stratégie d’adaptation de lien, d’utiliser des modulations d’ordre élevé et par conséquent plus de bits pouvant être utilisés dans le codage de source. Ainsi, plus de couches de qualité peuvent être transmises avec le budget de puissance. Ceci améliore la qualité d’image, vu le nombre de bits important qui pourra être utilisé dans le codage de source et le nombre important de couches de qualité pouvant être transmises. La stratégie proposée dans cette partie a permis d’atteindre soit un gain très important en terme de PSNR ou bien un gain très important en terme de puissance de transmission pour une QdS comparable.

Cette thèse se concentre sur l'étude de l'introduction de l'ouverture dans la transformation frationnelle de Mellin (TFrM) dans le domaine de diffraction et son application dans le système de cryptage d'images optiques. La faisabilité des schémas de cryptage proposés est vérifiée par une série de simulations numériques. Les travaux principaux sont les suivants: Tout d'abord, un système de cryptage d'images optiques basé sur la transformation fractionnelle de Mellin avec une ouverture dure (TFrM à ouverture dure) a été proposé. La TFrM à ouverture dure peut être effectuée par la transformation log-polar et la transformation fractionnelle de Fourier à ouverture dans le domaine de diffraction. Les longueurs latérales de l'ouverture dure servent de clé pour améliorer la sécurité et augmenter encore l'espace clé du système de cryptage. Cette ouverture dure n'est pas seulement utilisée pour contrôler la quantité de lumière passant la lentille en ajustant sa taille, mais réduit également la fuite de lumière, ce qui, dans une certaine mesure, améliorera la robustesse contre les attaques directes. Deuxièmement, l'ouverture gaussienne, comme une ouverture douce pour équilibrer entre l'ouverture dure et aucune ouverture, est introduite dans la TFrM à ouverture. Avec la TFrM à ouverture gaussienne dans le domaine de diffraction, une transformation de préservation de la réalité est proposée et utilisée pour cryptage d'images. Dans ce schéma de cryptage pour l'image en niveaux de gris, la transformation d’Arnold et l'opération d’XOR bitwise sont également adoptées pour cypter l'image afin d'améliorer la sécurité. Enfin, l'algorithme de cryptage basé sur la TFrM à ouverture gaussian et de préservation de la réalité (TFrMOGPR) utilisé pour l'image couleur est proposé. Outre TFrMOGPR non linéaire, rotation de l'espace couleur, avec brouillage 3D et XOR opération bitwise rend l'algorithme de cryptage d'image de couleur proposé bien performer. Les résultats de la simulation ont montré que les systèmes de cryptage proposés sont capables de résister à différentes attaques communes et robustes contre les attaques de bruit et d'occlusion.

Cette thèse traite le problème de garantir la qualité de service (QoS) dans l'internet des objets (IoT) en termes d’urgence et de fiabilité. Pour atteindre cet objectif, nous avons proposé différentes solutions adaptées aux réseaux étendus LoRa (LoRaWAN). Premièrement, nous mettons en œuvre un découpage virtuel du réseau LoRa en plusieurs tranches et nous évaluons son impact en utilisant plusieurs stratégies statiques et dynamiques. Les résultats des simulations exécutés sur NS3 ont prouvé l'efficacité de l'isolation virtuelle des ressources physiques pour une tranche d'un réseau ayant des communications urgentes en réduisant l'impact venant des autres communications IoT. Motivés par ces résultats, une méthode d'optimisation est ensuite proposée pour chercher une meilleure configuration des nœuds LoRa en regardant plus en détail leur paramètres au niveau de la couche physique permettant d’améliorer ses performances en termes de QoS, de fiabilité et d’efficacité énergétique. Par contre, même avec le découpage du réseau en tranches virtuels, l’évolutivité de LoRa reste un défi en raison du manque de flexibilité lors de la gestion des réseaux sans fil actuels. Par conséquent, pour atteindre l'objectif global de garantir une bonne QoS dans un réseau IoT à grande échelle, les technologies SDN et le découpage virtuel du réseau sont adoptés simultanément pour proposer une architecture virtualisée et distribuée. Cette dernière proposition est basée sur la théorie des jeux et s'adapte plus rapidement aux changements dans un environnement IoT encombré en exploitant la prise de décision du découpage du réseau et la configuration des nœuds LoRa à la périphérie du réseau.

Cette thèse est consacrée à l'amélioration des performances de codage/décodage de systèmes de transmission d'images fixes sur des canaux bruités et réalistes. Nous proposons, à cet effet, le développement de méthodes de transmission d'images optimisées en se focalisant sur les deux couches application et physique des réseaux sans fil. Au niveau de la couche application et afin d'assurer une bonne qualité de service, on utilise des algorithmes de compression efficaces permettant au récepteur de reconstruire l'image avec un maximum de fidélité (JPEG2000 et JPWL). Afin d'assurer une transmission sur des canaux sans fil avec un minimum de TEB à la réception, des techniques de transmission, de codage et de modulation avancées sont utilisées au niveau de la couche physique (système MIMO-OFDM, modulation adaptative, CCE, etc). Dans un premier temps, nous proposons un système de transmission robuste d'images codées JPWL intégrant un schéma de décodage conjoint source-canal basé sur des techniques de décodage à entrées pondérées. On considère, ensuite, l'optimisation d'une chaîne de transmission d'images sur un canal MIMO-OFDM sans fil réaliste. La stratégie de transmission d'images optimisée s'appuie sur des techniques de décodage à entrées pondérées et une approche d'adaptation de lien. Ainsi, le schéma de transmission proposé offre la possibilité de mettre en oeuvre conjointement de l'UEP, de l'UPA, de la modulation adaptative, du codage de source adaptatif et de décodage conjoint pour améliorer la qualité de l'image à la réception. Dans une seconde partie, nous proposons un système robuste de transmission de flux progressifs basé sur le principe de turbo décodage itératif de codes concaténés offrant une stratégie de protection inégale de données. Ainsi, l'originalité de cette étude consiste à proposer des solutions performantes d'optimisation globale d'une chaîne de communication numérique pour améliorer la qualité de transmission.

Avec la multiplication des antennes radios, due à l’augmentation des abonnés et aux nouveaux services et usages, l’exposition aux ondes électromagnétiques est devenue un sujet interpellant toute une catégorie de personnes, notamment les collectivités locales, les opérateurs, les associations, etc. Dans le domaine de l’exposition des populations aux champs électromagnétiques radiofréquences en milieu urbain, la modélisation numérique a pris depuis quelques années de plus en plus d’importance du fait de la montée en puissance des outils de calcul et de la quantité et qualité des données topographiques disponibles. Elle est utilisée conjointement avec plusieurs types de mesures pour l’analyse et la gestion de risques, comme support d’aide à la décision publique, comme méthode réglementaire et plus largement pour la concertation entre public, industriels, collectivités territoriales, associations, etc. Les résultats de ces méthodes ont donc de plus en plus d’importance. Ce manuscrit permet d'améliorer les connaissances sur la quantification de l'exposition due aux antennes relais en associant mesures et simulations et en prenant en considération la notion de variabilité du champ électrique. Une première partie du travail a permis de déterminer les avantages et les limites des méthodes de calcul, et de même pour les mesures, dans le cadre de l'évaluation de l'exposition à l'échelle urbain. Une seconde partie du travail a consisté à caractériser la variabilité spatiale et temporelle de l'exposition réelle, un point essentiel du fait de la grande variabilité du champ électrique et de la difficulté de trouver un indicateur pertinent pour quantifier l'exposition réelle.

Cette thèse s'intéresse aux stratégies de transmission de contenu multimédia des réseaux sans fil. L'intérêt d'une stratégie repose sur sa capacité à gérer les ressources selon les objectifs des applications visées. On propose ainsi un schéma de transmission, qui garantit la qualité de service (QdS), quelles que soient les conditions du canal et suivant les spécificités du contenu multimédia. On exploite pour cela les diversités (spatiales, fréquentielles, etc.) du canal radio. A ce titre, l'association MIMO-OFDM apparaît comme une solution idéale pour accroitre les performances du système. On propose ainsi un système MIMO-OFDMA, qui intègre des stratégies inter-couches. Celles-ci se basent sur des techniques d'adaptation de lien pour régler dynamiquement les paramètres du système. On développe en premier un schéma inter-couches PHY 1 APPL, associé à un système MIMO-OFDM mono-utilisateur, qui transmet une vidéo H.264/SVC. L'adaptation de lien permet de définir le jeu de paramètres optimaux, qui minimise la distorsion de la vidéo reçue. On introduit ainsi une politique d'optimisation sous contraintes de puissance et de taux d'erreurs binaires. Pour tenir compte d'aspects de transmission réalistes, on propose un schéma inter-couches PHY/MAC, dédié à un système MIMO-OFDMA, multi-utilisateurs et multi-services. Ce dernier associe un algorithme d'ordonnancement, au paramétrage optimal, pour fournir au maximum d'utilisateurs des débits utiles respectant les exigences des services demandés. Enfin, on combine les deux premières solutions pour définir les paramètres optimaux minimisant la distorsion de la vidéo reçue par utilisateur, tout en garantissant la QdS des autres services.

Ce travail de thèse concerne la modélisation du canal de propagation dans les milieux industriels. Dans ce contexte, le canal de propagation a un comportement différent de celui classiquement rencontré en indoor. Cela est dû à l'aménagement des bâtiments qui sont plus grand et ouverts ainsi qu'à la présence de machines, d'objets mobiles et d'autres matériaux métalliques rencontrés dans ces environnements. Ainsi, les modèles de canaux indoor existants ne sont plus valides. L'utilisation de modèles déterministes comme alternative est possible mais limitée en raison du temps de calcul qui en découle. Pour répondre à cette problématique, nous proposons un modèle hybride de canal s'inspirant d'une méthode à tracer de rayons 3D et du modèle WINNER. L'originalité de ce modèle repose sur son caractère hybride consistant, en prétraitement, à partitionner l'environnement en zones de visibilité ou de non-visibilité «faible» et «forte» sur des critères déterministes liés à la propagation des ondes. Un modèle statistique, type WINNER, reprenant le concept de cluster est ensuite "joué" au sein de chacune des ces zones reproduisant ainsi fidèlement l'évolution des paramètres caractéristiques des clusters identifiés. Nous avons validé notre modèle en le comparant d'abord à un modèle déterministe et ensuite à la mesure. Sa robustesse ainsi que celle de WINNER sont testées en les simulant dans trois environnements différents et en les comparant au modèle déterministe à tracer de rayons.

Ce travail de thèse présente une stratégie de transmission exploitant la diversité spatiale pour la transmission d'images sur canal sans fil. On propose ainsi une approche originale mettant en correspondance la hiérarchie de la source avec celle des sous-canaux SISO issus de la décomposition d'un canal MIMO. On évalue les performances des précodeurs usuels dans le cadre de cette stratégie via une couche physique réaliste, respectant la norme IEEE802.11n, et associé à un canal de transmission basé sur un modèle de propagation à tracé de rayons 3D. On montre ainsi que les précodeurs usuels sont mal adaptés pour la transmission d'un contenu hiérarchisé. On propose alors un algorithme de précodage allouant successivement la puissance sur les sous-canaux SISO afin de maximiser la qualité des images reçues. Le précodeur proposé permet d'atteindre un TEB cible compte tenu du codage canal, de la modulation et du SNR des sous-canaux SISO. A partir de cet algorithme de précodage, on propose une solution d'adaptation de lien permettant de régler dynamiquement les paramètres de la chaîne en fonction des variations sur le canal de transmission. Cette solution détermine la configuration de codage/transmission maximisant la qualité de l'image en réception. Enfin, on présente une étude sur la prise en compte de contraintes psychovisuelles dans l'appréciation de la qualité des images reçues. On propose ainsi l'intégration d'une métrique à référence réduite basée sur des contraintes psychovisuelles permettant d'assister le décodeur vers la configuration de décodage offrant la meilleure qualité d'expérience. Des tests subjectifs confirment l'intérêt de l'approche proposée.

L'exploitation, le contrôle et la signalisation des systèmes de métros modernes et en particulier les métros sans conducteur, reposent sur deux familles de systèmes de communication radio sans fil : les transmissions vitales pour la signalisation et le contrôle des trains à faible débit et les transmissions non vitales très haut débit pour la vidéo surveillance embarquée, le télé-diagnostic, l'information des clients, etc. Lors de la mise en œuvre de tels systèmes de transmission, l'industriel doit donc garantir à l'exploitant de métro des performances concernant les débits et la qualité de la transmission en termes de perte de paquets d'information. Dès lors, appréhender le comportement du canal de propagation est un élément clé pour prédire et améliorer les performances des systèmes de transmission. L'objectif de ces travaux de thèse est double et concerne : • D'une part, la réduction des temps de calcul d'un simulateur de canal à tracé de rayons 3D qui prédit avec précision le comportement du canal de propagation, mais reste coûteux en temps de calculs pour les simulations dynamiques. Nous proposons dans cette thèse une méthode qui s'appuie sur trois critères de visibilité pour simplifier la description de la géométrie de l'environnement sans pénaliser la prédiction des paramètres caractéristiques du canal de propagation ; • D'autre part, la mise en œuvre d'un nouveau modèle de canal de propagation MIMO dynamique en tunnel rectiligne de section rectangulaire qui permettra d'optimiser des systèmes de transmission multi antennaires (MIMO) pour des applications de transmissions sans fil pour les métros en tunnel. Ce modèle s'inspire globalement du modèle de canal utilisé

Dans les réseaux de capteurs, la réduction de la consommation d'énergie représente une contrainte très forte. L'enjeu de cette thèse est d'étudier l'application des nouvelles techniques MIMO dans le contexte de coopération pour les réseaux de capteurs afin de réduire la consommation d'énergie. Ces techniques sont basées sur les précodeurs max-dmin et P-OSM qui nécessitent la connaissance du canal à l'émission (Channel State Information ou CSI). Afin de rendre l'utilisation de la CSI réaliste, nous avons quantifié l'information de retour de ces précodeurs avec comme objectif de réduire l'information envoyée vers l'émetteur. Nous avons exploité certaines techniques de la littérature et proposé d'autres pour effectuer cette quantification. Plusieurs schémas coopératifs sont alors proposés pour la mise en place des précodeurs max-dmin et P-OSM avec un canal de retour quantifié. Les performances des systèmes proposés en termes de consommation d'énergie sont évaluées en les comparant avec le système coopératif de la littérature basé sur des codes spatio-temporels et en présence d'une erreur de synchronisation entre les capteurs. Nous nous sommes ensuite intéressés à l'application des réseaux de capteurs dans les postes électriques haute tension (HT) dans le contexte du Smart-Grid. L'objectif est d'évaluer les performances des systèmes proposés en présence de bruit impulsionnel et dans un environnement réel d'un poste HT ay Québec. En utilisant une série de mesures de ce bruit effectuée par l'Ecole de technologie supérieure de Montréal, nous déterminons un modèle statistique du bruit impulsionnel. Nous proposons une extension de ce modèle afin d'utiliser des systèmes multi-antennaires.