UPThèses

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.

Ce travail de thèse concerne l'étude des canaux de propagation entre un satellite et un mobile terrestre se déplaçant dans des milieux contraints de type urbain dense, urbain et suburbain. L'objectif est de produire une modélisation efficace des comportements de signaux reçus, et en particulier les évanouissements rapides et lents. La méthode proposée est illustrée en bande L mais peut s'étendre directement à la bande S. Elle est basée sur une approche hybride associant un modèle déterministe basé sur une méthode à rayons et un modèle statistique. Le premier chapitre présente le contexte de cette thèse ainsi qu'un état de l'art des modèles existants. En dégageant leurs avantages et inconvénients respectifs, le principe d'une modélisation hybride est proposé. Le deuxième chapitre est consacré à identifier de façon performante une loi de probabilité permettant de décrire une donnée acquise. Les travaux sont basés sur les tests de Kolmogorov-Smirnov et de Kullback-Liebler avec des histogrammes optimaux construits à l'aide de critères d'information. Le cas de plusieurs lois candidates est étudié. Le troisième chapitre est composé de deux études complémentaires : la modélisation en zones LOS et NLOS avec différentes lois de probabilité. L'étude a été basée sur des simulations déterministes dans des environnements de l'agglomération de Toulouse. Globalement, l'approche consiste à proposer un paramétrage dynamique des modèles statistiques évoluant selon les spécificités du milieu de réception du mobile terrestre et de la position du satellite. Dans le quatrième chapitre, les performances de la méthode proposée sont évaluées en termes de précision et de temps de calcul par rapport à des techniques déterministes. Pour la précision, la référence est fournie par un calcul purement déterministe, des mesures n'ayant pas été disponibles durant la thèse. Une extension de l'approche est proposée pour le cas de satellites défilants pouvant contribuer à une simulation dynamique du canal de propagation.

Ce travail de thèse concerne la transmission de vidéo dans les réseaux ad hoc. Plusieurs schémas et solutions ont été proposés afin d'améliorer voire assurer la qualité de service des applications intégrant la transmission temps réel de vidéo dans les réseaux ad hoc. Les performances de ces solutions sont évaluées par simulation à l'aide de plateformes de simulation de réseaux tels que NS-2 et GLOMOSIM, etc. Cependant, la couche physique de ces simulateurs manque de réalisme et ne modélise pas proprement le comportement d'un canal radio dans un environnement urbain. Nous avons proposé une couche physique réaliste qui prend en compte toutes les spécificités d'un canal radio mobile. Cette couche physique est basée sur un modèle de propagation à tracé de rayons et permet d'évaluer la qualité des liens SISO et MIMO suivant respectivement les normes de transmission IEEE 802.11a et IEEE 802.11n. Cette étude montre qu'il est important de considérer une couche physique réaliste dans les simulateurs de réseaux pour évaluer les performances des solutions de transmission vidéo. Dans un deuxième temps, nous avons proposé une solution originale de codage conjoint source-canal pour la transmission hiérarchique du flux vidéo H.264/SVC. Cette solution exploite la diversité spatiale du canal MIMO conjointement avec la hiérarchie du codeur vidéo H.264/SVC afin d'assurer la meilleure qualité de service quelques soient les conditions de transmission. Cette solution utilise la notion de précodage MIMO pour une allocation de puissance optimale entre les antennes visant à minimiser la distorsion de la vidéo reçue.