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Traffic-Aware Scheduling and Feedback Reporting in Wireless Networks

Matha DEGHEL
Soutenance de thèse de doctorat le 22 Mai 2017, 09h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi Mesny

Demand of wireless communication systems for high throughputs continues to increase, and there are no signs this trend is slowing down. Three of the most prominent techniques that have emerged to meet such demands are OFDMA, cooperative relaying and MIMO. To fully utilize the capabilities of systems applying such techniques, it is essential to develop efficient scheduling algorithms and, more generally, efficient resource allocation algorithms. Classical studies on this subject investigate in much detail settings where the data requests of the users are not taken into consideration or where the perfect and full CSI is assumed to be available for the scheduling mechanism. In practice, however, different limitations may result in not having perfect or full CSI knowledge, such as limited feedback resources, probing cost and delay in the feedback process. Accordingly, in this thesis we examine the problems of scheduling and feedback allocations under realistic considerations concerning the CSI knowledge. Analysis is performed at the packet level and considers the queueing dynamics in the systems with arbitrary arrival processes, where the main performance metric we adopt is the stability of the queues. The first part of the thesis considers a multipoint to multipoint MIMO system with TDD mode under limited backhaul capacity and taking into account the feedback probing cost. Regarding the interference management technique, we apply interference alignment (IA) if more than one pair are active and SVD if only one pair is active. The second part of the thesis considers a multiuser multichannel OFDMA-like system where delayed and limited feedback is accounted for. Two scenarios are investigated, namely the system without relaying and the system with relaying. For the latter one, an additional imperfection we account for is that the users have incomplete knowledge of the fading coefficients between the base-station and the relay.

Jury:

M. Vincent K. N. LAU  Hong Kong       University of Science and Technology  Rapporteur

M. Jean-Marie GORCE                        NSA Lyon                                             Rapporteur

M. Anthony EPHREMIDES                  University of Maryland, College Park   Examinateur

M. Jianwei  HUANG Chinese               University of Hong Kong                      Examinateur

M. Michel  KIEFFER                             Université Paris-Sud                           Examinateur

Mme Laura  COTTATELLUCCI            Eurecom                                              Examinateur

M. Mérouane DEBBAH                        CentraleSupélec                                 Directeur de thèse

M. Mohamad ASSAAD                        CentraleSupélec                                 CoDirecteur de thèse

Performances et méthodes pour l'échantillonnage comprimé: Robustesse à la méconnaissance du dictionnaire et optimisation du noyau d'échantillonnage

Stéphanie BERNHARDT
Soutenance de thèse de doctorat le 5 Décembre 2016, 14h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi F3-05

Dans cette thèse, nous nous intéressons à deux méthodes promettant de reconstruire un signal parcimonieux largement sous-échantillonné : l’échantillonnage de signaux à taux d’innovation fini et l’acquisition comprimée. Il a été montré récemment qu’en utilisant un noyau de pré-filtrage adapté, les signaux impulsionnels peuvent être parfaitement reconstruits bien qu’ils soient à bande non-limitée. En présence de bruit, la reconstruction est réalisée par une procédure d’estimation de tous les paramètres du signal d’intérêt. Dans cette thèse, nous considérons premièrement l’estimation des amplitudes et retards paramétrisant une somme finie d'impulsions de Dirac filtrée par un noyau quelconque et deuxièmement l’estimation d’une somme d’impulsions de forme quelconque filtrée par un noyau en somme de sinus cardinaux (SoS). Le noyau SoS est intéressant car il est paramétrable par un jeu de paramètres à valeurs complexes et vérifie les conditions nécessaires à la reconstruction. En se basant sur l’information de Fisher Bayésienne relative aux paramètres d’amplitudes et de retards et sur des outils d’optimisation convexe, nous proposons un nouveau noyau d’échantillonnage. L’acquisition comprimée permet d’échantillonner un signal en-dessous de la fréquence d’échantillonnage de Shannon, si le vecteur à échantillonner peut être approximé comme une combinaison linéaire d’un nombre réduit de vecteurs extraits d’un dictionnaire sur-complet. Malheureusement, dans des conditions réalistes, le dictionnaire (ou base) n’est souvent pas parfaitement connu, et est donc entaché d’une erreur (DB). L’estimation par dictionnaire, se basant sur les mêmes principes, permet d’estimer des paramètres à valeurs continues en les associant selon une grille partitionnant l’espace des paramètres. Généralement, les paramètres ne se trouvent pas sur la grille, ce qui induit un erreur d’estimation même à haut rapport signal sur bruit (RSB). C’est le problème de l’erreur de grille (EG). Dans cette thèse nous étudions les conséquences des modèles d’erreur DB et EG en terme de performances bayésiennes et montrons qu’un biais est introduit même avec une estimation parfaite du support et à haut RSB. La BCRB est dérivée pour les modèles DB et EG non structurés, qui bien qu’ils soient très proches, ne sont pas équivalents en terme de performances. Nous donnons également la borne de Cramér-Rao moyennée (BCRM) dans le cas d’une petite erreur de grille et étudions l’expression analytique de l’erreur quadratique moyenne bayésienne (BEQM) sur l’estimation de l’erreur de grille à haut RSB. Cette dernière est confirmée en pratique dans le contexte de l’estimation de fréquence pour différents algorithmes de reconstruction parcimonieuse. Nous proposons deux nouveaux estimateurs : le Bias-Correction Estimator (BiCE) et l’Off-Grid Error Correction (OGEC) permettant de corriger l'erreur de modèle induite par les erreurs DB et EG, respectivement. Ces deux estimateurs principalement basés sur une projection oblique des mesures sont conçus comme des post-traitements, destinés à réduire le biais d’estimation suite à une pré-estimation effectuée par n’importe quel algorithme de reconstruction parcimonieuse. Les biais et variances théoriques du BiCE et du OGEC sont dérivés afin de caractériser leurs efficacités statistiques. Nous montrons, dans le contexte difficile de l’échantillonnage des signaux impulsionnels à bande non-limitée que ces deux estimateurs permettent de réduire considérablement l’effet de l'erreur de modèle sur les performances d’estimation. Les estimateurs BiCE et OGEC sont tout deux des schémas (i) génériques, car ils peuvent être associés à tout estimateur parcimonieux de la littérature, (ii) rapides, car leur coût de calcul reste faible comparativement au coût des estimateurs parcimonieux, et (iii) ont de bonnes propriétés statistiques.

 

Mots-clés :

échantillonnage, parcimonie, erreur de modèle, bornes bayésiennes, noyaux, signaux impulsionnels

 

Composition du jury

M. Rémy BOYER Université Paris-Sud Directeur de thèse

Mme Sylvie MARCOS CNRS Co-Directeur de thèse

M. Pascal LARZABAL Université Paris-Sud Co-Encadrant de thèse

M. David BRIE Université de Lorraine Rapporteur

M. André FERRARI Université de Côte d'Azur Rapporteur

M. Eric CHAUMETTE ISAE-Supaéro Examinateur

M. Ali MOHAMMAD-DJAFARI CNRS Examinateur

M. Nicolas DOBIGEON Université de Toulouse Examinateur

Broadcasting with delayed CSIT: finite SNR analysis and heterogeneous feedback

Chao HE
Soutenance de thèse de doctorat le 2 Décembre 2016, 14h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi F3-05

One of the key techniques for future wireless networks, namely state-feedback enabled interference mitigation, is explored with information theoretical tools under some realistic settings. In order to verify the usefulness of delayed CSIT in harsh situations, we investigate it with finite SNR and/or feedback heterogeneity in a broadcast communication setup. In the first part of this dissertation, we are mainly interested in the finite SNR performance of delayed CSIT and the uniformity across the results in Gaussian channel and in erasure channel. Several relatively simple schemes are proposed in multi-user broadcast channels when states are assumed to be fully known at the destinations but only strictly causally at the transmitter. Enhancement in terms of higher symmetric rates and more input alphabet options are then characterized when analyzing the corresponding regions in Gaussian/erasure cases. In the second part of this dissertation, algorithms adapted to distinct feedback heterogeneities are targeted as only part of communication nodes are involved in the feedback process. In particular, we concentrate on 1) broadcast channel with feedback from partial receivers, 2) broadcast relay channel with feedback at the relay. Improvements on achievable rates are justified in either cases via analysis and some examples.

 

Devant le jury composé de :

 

Michel KIEFFER                         Professeur (Université Paris-Sud)                      Président du jury

Inbar FIJALKOW                        Professeur (ENSEA)                                           Rapporteur

Albert Guillén i FABREGAS       Professeur (Universitat Pompeu Fabra)             Rapporteur

David GESBERT                        Professeur (EURECOM)                                     Examinateur

Michèle Angela WIGGER           Professeur associé (Télécom ParisTech)            Examinateur

Samir M. PERLAZA                   Chargé de recherche (INRIA Lyon)                     Examinateur

Sheng YANG                              Enseignant-Chercheur (CentraleSupélec)           Directeur de thèse

Pablo PIANTANIDA                   Enseignant-Chercheur (CentraleSupélec)           Co-encadrant

Efficacité énergétique et spectrale dans les réseaux 5G

Iyad LAHSEN-CHERIF
Soutenance de thèse de doctorat le 2 Décembre 2016, 10h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Salle des séminaires du L2S

La pénurie d'énergie et le manque d'infrastructures dans les régions rurales représentent une barrière pour le déploiement et l'extension des réseaux cellulaires. Les approches et techniques pour relier les stations de base (BSs) entre elles à faible coût et d'une manière fiable et efficace énergiquement sont l'une des priorités des opérateurs. Ces réseaux peu denses actuellement, peuvent évoluer rapidement et affronter une croissance exponentielle due principalement à l'utilisation des téléphones mobiles, tablettes et applications gourmandes en bande passante. La densification des réseaux est l'une des solutions efficaces pour répondre à ce besoin en débit élevé. Certes, l'introduction de petites BSs apporte de nombreux avantages tels que l'amélioration du débit et de la qualité du signal, mais entraîne des contraintes opérationnelles telles que le choix de l'emplacement des noeuds dans ces réseaux de plus en plus denses ainsi que leur alimentation. Les problèmes où la contrainte spatiale est prépondérante sont bien appropriés à la modélisation par la géométrie stochastique qui permet une modélisation réaliste de distribution des BSs. Ainsi, l'enjeu est de trouver de nouvelles approches de gestions d'interférence et de réductions de consommation énergétique dans les réseaux sans fil. Le premier axe de cette thèse s'intéresse aux méthodes de gestion d'interférence dans les réseaux cellulaires se basant sur la coordination entre les BSs, plus précisément, la technique Coordinated MultiPoint Joint Transmission (CoMP-JT). En CoMP-JT, les utilisateurs en bordure de cellules qui subissent un niveau très élevé d'interférences reçoivent plusieurs copies du signal utile de la part des BSs qui forment l'ensemble de coordination. Ainsi, nous utilisons le modèle $r$-$l$ Square Point Process (PP) à fin de modéliser la distribution des BSs dans le plan. Le processus $r$-$l$ Square PP est le plus adapté pour modéliser le déploiement réel des BSs d'un réseaux sans fil, en assurant une distance minimale, ($r$ - $l$), entre les points du processus. Nous discutons l'impact de la taille de l'ensemble de coordination sur les performances évaluées. Ce travail est étendu pour les réseaux denses WiFi IEEE 802.11, où les contraintes de portées de transmission et de détection de porteuse ont été prises en compte. Dans le deuxième axe du travail, nous nous intéressons à l'efficacité énergétique des réseaux mesh. Nous proposons l'utilisation des antennes directionnelles (DAs) pour réduire la consommation énergétique et améliorer le débit de ces réseaux mesh. Les DAs ont la capacité de focaliser la transmission dans la direction du récepteur, assurant une portée plus importante et moins d'énergie dissipée dans toutes les directions. Pour différentes topologies, nous dérivons le nombre de liens et montrons que ce nombre dépend du nombre de secteurs de l'antenne. Ainsi, en utilisant les simulations, nous montrons que le gain, en énergie et en débit, apporté par les DAs peut atteindre 70% dans certains cas. De plus, on propose un modèle d'optimisation conjointe d'énergie et du débit adapté aux réseaux WMNs équipés de DAs. La résolution numérique de ce modèle confortent les résultats de simulation obtenus dans la première partie de cette étude sur l'impact des DAs sur les performances du réseaux en termes de débit et d'énergie consommée. Ces travaux de thèse s'inscrivent dans le cadre du projet collaboratif (FUI16 LCI4D), qui consiste à concevoir et à valider une architecture radio ouverte pour renforcer l'accès aux services broadband dans des lieux ne disposant que d'une couverture minimale assurée par un réseau macro-cellulaire traditionnel.

Mots-clés :  Coordinated MultiPoint, Géométrie stochastique , Réseaux mesh, Optimisation

Composition du jury

M. André-Luc BEYLOT        Professeur à l'ENSEEIHT, Toulouse     Rapporteur
M. Anthony BUSSON          Professeur à l'Université de Lyon 1     Examinateur
M. Bernard COUSIN            Professeur à l'Université de Rennes1     Examinateur
M. Steven MARTIN              Professeur à l'Université Paris 11     Examinateur
Mme Lynda MOKDAD         Professeur à l'Université Paris 12     Rapporteur
Mme Véronique VEQUE      Professeur à l'Université Paris 11     Directeur de thèse
Mme Lynda ZITOUNE          Maître de Conférence à l'ESIEE, Paris     Co-encadrant de thèse

Distributed Information Gathering and Estimation in Wireless Sensor Networks

Wenjie LI
Soutenance de thèse de doctorat le 15 Novembre 2016, 10h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi F3-06

Wireless sensor networks (WSNs) have attracted much interests in the last decade. The first part of this thesis considers sparse random linear network coding is for data gathering and compression in WSNs. An information-theoretic approach is applied to demonstrate the necessary and sufficient conditions to realize the asymptotically perfect reconstruction under MAP estimation. The second part of the thesis concerns the distributed self-rating (DSR) problem, for WSNs with nodes that have different ability of performing some task (sensing, detection...). The main assumption is that each node does not know and needs to estimate its ability. Depending on the number of ability levels and the communication conditions, three sub-problems have been addressed: i) distributed faulty node detection (DFD) to identify the nodes equipped with defective sensors in dense WSNs; ii) DFD in delay tolerant networks (DTNs) with sparse and intermittent connectivity; iii) DSR using pairwise comparison. Distributed algorithms have been proposed and analyzed. Theoretical results assess the effectiveness of the proposed solution and give guidelines in the design of the algorithm.

Membres du jury :

M. Cédric RICHARD, Professeur (Université de Nice Sophia Antipolis),  Rapporteur
M. Jean-Marie GORCE, Professeur (INSA Lyon), Rapporteur
Mme. Béatrice LAROCHE,  Directeur de recherche (INRA), Examinatrice
M. Fabio FAGNANI,  Professor (Politecnico di Torino), Examinateur
M. Davide DARDARI, Associate Professor (University of Bologna), Examinateur
M. Michel KIEFFER,  Professeur (Université Paris-Sud), Directeur de thèse
Mme. Francesca BASSI, Enseignant-Chercheur (ESME-Sudria), Co-encadrant de thèse

Commande prédictive tolérante aux défauts pour des systèmes dynamiques Multi-Agent

Minh Tri NGUYEN
Soutenance de thèse de doctorat le 10 Octobre 2016, 14h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi F3-06

Cette thèse porte sur des techniques de commande à base d’optimisation, la détection et l’isolation des défauts dans le cadre des systèmes dynamiques Multi-Agents sous contraintes, plus particulièrement liées à l’évitement des collisions. Dans un contexte ensembliste, l’évitement des collisions au sein de la formation se traduit par des conditions de non intersection des régions de sécurité caractéristiques à chaque agent/obstacle. Grace à sa capacité à gérer les contraintes, la commande prédictive a été choisie parmi les méthodes de synthèse à base de techniques d’optimisation.

Tout d’abord, une structure de type leader-suiveur est considérée comme une architecture décentralisée élémentaire. La zone de fonctionnement de chaque suiveur est décidée par le leader et puis une loi de commande locale est calculée afin de garantir que les suiveurs restent à l’intérieur de la zone autorisée, permettant d’éviter les collisions.

Ensuite, un déploiement des agents fondé sur l’approche de commande prédictive décentralisée, utilisant des partitions dynamiques de Voronoi, est proposé, permettant de ramener chaque agent vers l’intérieur de sa cellule Voronoi. Une des contributions a été de considérer le centre de Chebyshev comme cible à l’intérieur de chaque cellule. D’autres solutions proposent l’utilisation du centre de masse ou du centre obtenu par l’interpolation des sommets.

Finalement, des méthodes ensemblistes sont utilisées pour construire un niveau supplémentaire de détection de défauts dans le cadre du système Multi-Agent. Cela permet l’exclusion des agents défectueux ainsi que l’intégration des agents extérieurs certifiés sans défauts dans la formation. La nouvelle formation contenant des agents non défectueux est mise à jours en utilisant par exemple des techniques de commande prédictive centralisée.

 

Membres du jury :

M. George BITSORIS                           Université de Patras                                                                 Rapporteur

M. Christophe LOUEMBET                 Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes               Examinateur

M. Hugues MOUNIER                         Laboratoire des Signaux et Systèmes                                       Examinateur

M. Sorin OLARU                                  CentraleSupélec/Laboratoire des Signaux et Systèmes           Co-encadrant

Mme Ionela PRODAN                         Institut Polytechnique de Grenoble                                            Examinateur

Mme Cristina STOICA MANIU           CentraleSupélec/Laboratoire des Signaux et Systèmes             Directeur de thèse

M. Didier THEILLIOL                           Université de Lorraine – CRAN                                                  Rapporteur

Robustification de la commande prédictive non linéaire - Application à des procédés pour le développement durable

Seif Eddine BENATTIA
Soutenance de thèse de doctorat le 21 Septembre 2016, 14h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi F3-06

Les dernières années ont permis des développements très rapides, tant au niveau de l'élaboration que de l'application, d'algorithmes de commande prédictive non linéaire (CPNL), avec une gamme relativement large de réalisations industrielles. Un des obstacles les plus significatifs rencontré lors du développement de cette commande est lié aux incertitudes sur le modèle du système.

Dans ce contexte, l'objectif principal de cette thèse est la conception de lois de commande prédictives non linéaires robustes vis-à-vis des incertitudes sur le modèle. Classiquement, cette synthèse peut s'obtenir via la résolution d'un problème d'optimisation min-max. L'idée est alors de minimiser l'erreur de suivi de la trajectoire optimale pour la pire réalisation d'incertitudes possible. Cependant, cette formulation de la commande prédictive robuste induit une complexité qui peut être élevée ainsi qu'une charge de calcul importante, notamment dans le cas de systèmes multivariables, avec un nombre de paramètres incertains élevée. Pour y remédier, la principale approche proposée dans ces travaux consiste à simplifier le problème d'optimisation min-max, via l'analyse de sensibilité du modèle vis-à-vis de ses paramètres afin d'en réduire le temps de calcul.

Dans un premier temps, le critère est linéarisé autour des valeurs nominales des paramètres du modèle. Les variables d'optimisation sont soit les commandes du système soit l'incrément de commande sur l'horizon temporel. Le problème d'optimisation initial est alors transformé soit en un problème convexe, soit en un problème de minimisation unidimensionnel, en fonction des contraintes imposées sur les états et les commandes. Une analyse de la stabilité du système en boucle fermée est également proposée.

En dernier lieu, une structure de commande hiérarchisée combinant la commande prédictive robuste linéarisée et une commande par mode glissant intégral est développée afin d'éliminer toute erreur statique en suivi de trajectoire de référence. L'ensemble des stratégies proposées est appliqué à deux cas d'études de commande de bioréacteurs de culture de microorganismes.

 

Membres du jury :

Estelle COURTIAL :                   Maitre de Conférence, Polytech Orléans, Orléans / Examinatrice

Didier DUMUR :                        Professeur, CentraleSupélec, Gif sur Yvette / Directeur de thèse

Hugues MOUNIER :                 Professeur des Universités, L2S, Gif sur Yvette / Examinateur

Mohammed M’Saad :            Professeur des Universités, ENSI Caen, Caen / Rapporteur

Alain Vande WOUWER :        Professeur, Université de Mons, Mons, Belgique / Rapporteur

Sihem TEBBANI :                      Professeur associé, CentraleSupélec, Gif sur Yvette / Co-encadrante

Stabilité du réseau électrique de distribution. Analyse du point de vue automatique d’un système complexe

Marjorie COSSON
Soutenance de thèse de doctorat le 19 Septembre 2016, 14h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi Ampère

Avec l’arrivée massive de production sur les réseaux de distribution, ces derniers ont vu leur structure et leur fonctionnement profondément modifiés. Parmi les conséquences de ce phénomène, on peut citer l’élévation du plan de tension. Pour tenter de maintenir la qualité de fourniture, les gestionnaires de réseaux de distribution (GRD) ont imaginé plusieurs moyens comme par exemple les régulations de puissance réactive des producteurs en fonction de la tension à leurs bornes : les régulations Q(U). Dans ces travaux, nous nous intéressons à l’impact de ce type de régulations sur la stabilité des départs moyenne tension du réseau électrique de distribution.
Pour tenter d’évaluer leur stabilité, un premier travail de modélisation est mené. Il permet de formuler le système comme un système hybride affine par morceaux et de mettre en évidence le risque d’instabilité dans le cas de départs accueillant des régulations Q(U). Nous soulignons aussi le lien entre la stabilité du système et les paramètres des régulations. Afin d’aider les GRD à choisir ces paramètres, une méthode est mise au point permettant l’étude formelle de la stabilité d’un système hybride affine par morceaux. Celle-ci est construite à partir de la création d’une abstraction discrète du système puis du raffinement du système discret par le biais d’un calcul de bisimulation. Ainsi, nous développons un outil générique permettant, pour un jeu de paramètres donné, d’évaluer la stabilité d’un système hybride affine par morceaux comme par exemple un départ électrique moyenne tension accueillant des régulations Q(U).
La méthode proposée offre des résultats très précis et demande peu d’hypothèses sur le système mais ceci au prix de la complexité des calculs. Afin de simplifier l’étude des départs accueillant de nombreuses régulations, un critère de stabilité est formulé dans le cas particulier de régulations Q(U) identiques dont le filtre de mesure est un filtre passe-bas du premier ordre. Celui-ci permet aux GRD d’adapter le temps de réponse des régulations au cas par cas en fonction des producteurs et du réseau auquel ils sont raccordés. Finalement, nous proposons un réglage de la rapidité des régulations à destination des codes de réseau, c’est-à-dire qui soit valable quels que soient le réseau et les producteurs qu’il raccorde. Par une analyse de la structure du modèle, une majoration du critère au cas par cas est proposée afin d’exprimer un critère valable dans tous les cas. Ces travaux de thèse se concluent par une ouverture vers l’étude de systèmes de plus en plus complexes, incluant notamment l’extension de la méthode aux producteurs raccordés en basse tension, l’étude d’éventuelles interactions entre différentes régulations, la prise en compte d’autres mécanismes de réglage coexistant sur les départs et d’autres structures de filtres de mesure.

 

Membres du jury :

Raphael CAIRE                           Maitre de Conférence, ENSE3, Grenoble / Examinateur

Didier DUMUR                          Professeur, CentraleSupélec, Gif sur Yvette / Directeur de thèse

Bruno FRANCOIS                      Professeur, Ecole Centrale Lille, Lille / Rapporteur

Vincent GABRION                     Ingénieur, EDF R&D, Palaiseau / Co-encadrant

Antoine GIRARD                       Directeur de recherche CNRS, L2S, Gif sur Yvette / Examinateur

Hervé GUEGUEN                       Professeur, CentraleSupélec, Rennes / Co-encadrant de thèse

Frédéric KRATZ                         Professeur des universités, INSA Centre Val de Loire, Bourges / Rapporteur

Gilles MALARANGE                  Ingénieur chef de projet, EDF R&D, Palaiseau / Co-encadrant

Bogdan MARINESCU                Professeur, Ecole Centrale Nantes, Nantes / Examinateur

Cristina STOICA MANIU           Professeur associé, CentraleSupélec, Gif sur Yvette / Co-encadrante de thèse

PI Passivity-Based Control : Application to Physical Systems.

Rafael CISNEROS MONTOYA
Soutenance de thèse de doctorat le 13 Juillet 2016, 15h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Salle des séminaires du L2S

One of the best known forms of feeding back a system is through a three-term control law called PID (Proportional-Integral-Derivative) controller. PID controllers are sufficient for many control problems, particularly when process dynamics are not highly nonlinear and the performance requirements are modest. Besides, because of its simple structure, the PID controller is the most adopted control scheme by industry and practitioners. Since, the PI(D) tuning methods are based on the linearization, commissioning a PI(D) to operate around a single operating point is relatively easy, however, the performance will be below par in wide operating regimes. To overcome this drawback the current practice is to re-tune the gains of the controllers based on a linear model of the plant evaluated at various operating points, a procedure known as gain-scheduling. There are several disadvantages of gain-scheduling including the need to switch (or interpolate) the controller gains and the non-trivial definition of the regions in the plants state space where the switching takes place --both problems are exacerbated if the dynamics of the plant is highly nonlinear. This makes impossible to guarantee the system stability.  In this context, the current thesis work is aimed at the designing of PI controllers, based on the passivity theory, such that the stability of the nonlinear model is guarantied in closed-loop. The approach here presented is constructive and motivated by the applicaton to physical systems.

Membres du jury :

M. Stanislav ARANOVSKIY, Maître de conférence, ITMO University, examinateur.
M. Robert GRIÑÓ, Professeur, Polytechnic University of Catalonia, rapporteur.
M. Hugues MOUNIER, Professeur, Laboratoire de Signaux et Systèmes, examinateur.
M. Romeo ORTEGA, Directeur de recherche au CNRS, directeur de thèse.
M. Jacquelien SCHERPEN, Professeur, University of Groningen, rapporteur.

Développement et Application des bornes issus de la théorie de l'information à certaines types de problèmes de coordination

Achal AGRAWAL
Soutenance de thèse de doctorat le 14 Juin 2016, 14h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi F3-06

Avec la montée de la connectivité entre les appareils (internet des objets), nouvelles possibilités de coordination entre les différentes entités ont ouvert. En même temps, des résultats récents, issus de la théorie de l'information, ont fourni des limites pour la performance que tout système de coordination pourrait atteindre sous certaines structures d'information. Dans cette thèse, nous développons ces résultats théoriques dans le but de les rendre plus facilement applicable aux problèmes pratiques. À cet égard, la contribution de cette thèse est double: 1) En outre développer les résultats théoriques pour fournir un aperçu de la structure des solutions au problème d'optimisation posés dans les travaux anterieurs , ainsi que la généralisation des résultats. 2 ) Développer des algorithmes qui exploitent le cadre théorique fourni par les

travaux antérieurs pour concevoir des mécanismes de coordination pratiques, décentralisées et robustes. La généralité de l'approche se prête à diverses applications, dont les éléments suivants ont été traités: optimisation de puissance dans les réseaux sans fil, planification de la consommation d'énergie dans les applications de réseau intelligent, ainsi que Witsenhausen contre-exemple, un problème important issu de la théorie du contrôle. Diverses possibilités sont encore à venir pour exploiter le cadre et les outils développés ici.En effet, ils pourraient être utiles même dans des domaines qui ne sont pas abordés dans cette thèse, mais qui nécessitent une coordination entre les agents avec des informations différentes à la disposition de chacun.

 

Jury:

M, Assaad, Mohamad Professeur Adjoint, CentraleSupelec Examinateur
M, Chahed, Tijani Professeur, Telecom SudParis Examinateur
M, Gesbert, David Professeur, EURECOM Rapporteur
M, Lasaulce, Samson Directeur de Recherche, CNRS Directeur de thèse
M, Millerioux, Gilles Professeur, Université de Lorraine Examinateur
M, Yezekael, Hayel Maître de Conférences, Université d'Avignon Rapporteur

Modélisation et observabilité des machines électriques en vue de la commande sans capteur mécanique

Mohamad KOTEICH
Soutenance de thèse de doctorat le 18 Mai 2016, 14h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi F3-06

Les stratégies de commande avancée des machines électriques nécessitent une connaissance précise de la position et/ou de la vitesse du rotor. Ces grandeurs mécaniques sont traditionnellement mesurées par des capteurs, ce qui augmente le coût et diminue la fiabilité et la robustesse du système. D’où l’importance de la commande sans capteurs mécaniques, dite commande sensorless : elle consiste à remplacer les capteurs physiques par un observateur d’état, qui estime les grandeurs mécaniques en se basant sur un modèle de la machine et à partir de ses entrées (tensions) et ses sorties (courants mesurés). Toutefois, avant d’entamer la synthèse d’un observateur, il faut examiner l’observabilité du système, c.à.d. vérifier si les grandeurs à estimer peuvent être reconstruites à partir des mesures et des entrées du système.

Ce travail de thèse concerne la modélisation et l’étude d’observabilité des machines électriques en vue de la commande sensorless. Dans un premier temps, les modèles des machines électriques sont établis, et il est montré qu’une modélisation unifiée des machines à courant alternatif est possible. Ensuite, en se basant sur ces modèles, l’observabilité des machines électriques est étudiée en vue de la commande sensorless. La théorie d’observabilité instantanée locale est appliquée, ce qui permet de formuler des conditions analytiques, faciles à interpréter et à vérifier en temps-réel, et qui font le lien avec les phénomènes physiques dans les machines.

La validité des conditions d’observabilité est confirmée par des simulations et sur des données expérimentales, en appliquant un observateur de type Kalman étendu.

Cette thèse contribue à une nouvelle vision des machines à courant alternatif commandées sans capteurs mécaniques, et à une compréhension plus profonde de leurs propriétés. Elle contribue ainsi à la synthèse de stratégies d’observation plus performantes dans les régimes de fonctionnement critiques (à vitesse nulle et/ou à fréquence d’entrée nulle).

Les nouveaux concepts proposés dans cette thèse, tels que le flux équivalent et le vecteur d’observabilité, avec les résultats obtenus, ouvrent de nouveaux horizons dans un domaine qui paraît devenir assez mature.

 

M. Jean-Pierre BARBOT          Professeur des Universités, ECS-Lab, ENSEA                                          Rapporteur    

M. Guy CLERC                         Professeur des Universités, AMPERE, Univ. Claude Bernard Lyon I        Rapporteur    

M. Maurice FADEL                   Professeur, ENSEEIHT, Laboratoire LAPLACE                                         Examinateur  

M. Philippe MARTIN                Enseignant-Chercheur, CAS, Ecole des Mines de Paris                          Examinateur

M. Eric MONMASSON            Professeur des Universités, SATIE, Université de Cergy-Pontoise         Examinateur

M. Gilles DUC                         Professeur, L2S, CentraleSupélec                                                           Directeur de thèse

M. Guillaume SANDOU          Professeur, L2S, CentraleSupélec                                                            Co-encadrant 

M. Abdelmalek MALOUM      Docteur, Renault                                                                                       Co-encadrant

Cooperative Relaying Protocols and Distributed Coding Schemes for Wireless Multiterminal Networks

Abdulaziz MOHAMAD
Soutenance de thèse de doctorat le 10 Mai 2016, 14h30 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi F3-06

Avec la croissance rapide des appareils et des applications mobiles, les besoins en débit et en connectivité dans les réseaux sans fil augmentent rapidement. Il est prouvé que les communications coopératives peuvent augmenter significativement l’efficacité spectrale et la fiabilité des transmissions entre les nœuds extrémaux. Le concept de coopération dans un réseau sans fil compte parmi les sujets de recherche les plus actifs en télécommunications, le but étant d'identifier les stratégies de coopération qui maximiseraient les gains en efficacité spectrale et en puissance d'émission. Pour coopérer, les nœuds du réseau partagent leurs ressources (énergie, bande de fréquence, etc.) pour améliorer mutuellement leurs transmissions et leurs réceptions. Dans les réseaux sans fil avec relais, les relais sont des nœuds dédiés à améliorer la qualité de la communication entre les nœuds sources et destination.

Dans la première partie de la thèse, nous nous concentrons sur un réseau sans fil avec relais spécifique où l'ensemble de sources (mobiles) veulent communiquer leurs messages à une destination commune (station de base) avec l'aide d'un ensemble de relais (contexte cellulaire, sens montant). Nous étudions, sur les plans théorique et pratique, un schéma coopératif dans lequel les relais, après une durée d'écoute fixée a priori, essayent de décoder les messages des sources et commencent à transmettre des signaux utiles pour ceux qui sont décodés correctement. Ces signaux utiles sont le résultat d'un codage canal-réseau conjoint.

Une des limitations du système coopératif précédent est précisément que le temps d'écoute des relais est figé et ne peut pas être adapté à la qualité fluctuante (aléatoire) des liens instantanés sources-relais. Pour pallier cette difficulté, nous proposons et analysons, dans une seconde partie de la thèse, un schéma de coopération plus avancé où le temps d'écoute de chaque relais peut être dynamique. Dans ces conditions, un relais bénéficiant d'une meilleure qualité de réception des sources peut commencer à coopérer plus tôt que d'autres relais ayant une qualité de réception moindre.

Enfin, dans la troisième et dernière partie de la thèse, nous considérons la présence d'une information de retour limitée (limited feedback) entre la destination et les sources et les relais, et tentons de caractériser l'efficacité spectrale d'un tel système.

Jury:

Antoine O. BERTHET  Directeur de thèse  CS – L2S CNRS UMR 8506 - Gif sur Yvette
Alister BURR  Examinateur  University of York – UK
Jean-Pierre CANCES  Rapporteur  XLIM CNRS UMR 7252 - Limoges
Pierre DUHAMEL  Examinateur  L2S CNRS UMR 8506 – Gif sur Yvette
Florian KALTENBERGER  Rapporteur  Rapporteur, Eurecom - Biot
Soon Xin NG (Michael)  Examinateur  University of Southampton - UK
Raphaël VISOZ  Co-directeur de thèse  Orange Labs – Issy les Moulineaux

Energy-based modeling and control of electric power systems with guaranteed stability properties

Daniele ZONETTI
Soutenance de thèse de doctorat le 15 Avril 2016, 14h30 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Salle des séminaires du L2S

Pour   traiter les systèmes non linéaires, à grande échelle, multi-domaine tels que   les systèmes électriques de puissance, nous avons remarqué dans les dernières   années un intérêt croissant pour les techniques de modélisation, analyse et   contrôle basées sur la notion d'énergie. L'énergie est en fait un concept   fondamental en science et en ingénierie, où typiquement les systèmes   dynamiques sont regardés comme des dispositifs de transformation d'énergie.   Cette perspective est particulièrement utile pour étudier des systèmes non   linéaires assez complexes, qui peuvent être décomposés en sous-systèmes plus   simples, caractérisés au niveau énergétique, et qui, à travers leurs   interconnexions, déterminent le comportement global du système tout entier.   Il représente bien évidemment le langage le plus naturel et intuitif pour   représenter les systèmes électriques de puissance. En particulier,   l'utilisation de systèmes Hamiltoniens à Ports a eu un impact très fort dans   différentes applications, plus précisément dans le cas de systèmes   mécaniques, électriques et électromécaniques. Dans ce contexte alors,   l'approche Hamiltonien à Ports représentent sans doute une base solide qui   montre une nouvelle facon d'aborder les problèmes d'analyse et contrôle de   systèmes électriques de puissance. Basée sur cette approche, la thèse est   structurée en trois étapes fondamentales: 1 - Modélisation d'une classe très   générale de systèmes électriques de puissance, basée sur la théorie des   graphes et la formulation en Systèmes Hamiltoniens à Ports des composantes. 2   - Modélisation, analyse et commande de systèmes de transmission de courant   continu haute tension. Avec l'intention de construire un pont entre la   théorie et les éventuelles applications, un des objectifs fondamentaux   consiste à établir des relations évidentes entre les solutions adoptées dans   la pratique et les solutions obtenues à travers une analyse mathématique   précise. 3 - Travaux apparentés de l'auteur, dans différents domaines des   systèmes électriques de puissance: systèmes ac conventionnels et micro   réseaux.

 

Composition du jury

M. Roméo ORTEGA-MARTINEZ, L2S, Directeur de thèse

M. Abdelkrim BENCHAIB, Alstom Grids, Examinateur

M. Claudio DE PERSIS, University of Groningen, Rapporteur

M. Florian DÖRFLER, ETH Zurich-Swiss Federal Institute of Technology, Rapporteur

M. Françoise LAMNABHI-LAGARRIGUE, L2S, Examinateur

M. Valentin COSTAN, EDF-R&D EFESE, Examinateur

Modélisation et commande d'un réseau électrique continu

Djawad HAMACHE
Soutenance de thèse de doctorat le 1 Avril 2016, 10h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette)

Les travaux de recherche abordés dans cette thèse ont porté sur l'investigation de méthodes de commande permettant d'aborder la stabilisation des réseaux électriques. Les risques potentiels d'instabilité dans les réseaux électrique DC sont souvent liés aux conséquences des interactions entre les charges, ou encore entre les charges et leurs filtres d'entrée dans l'interface avec les réseaux. Ces dernières interactions ont été mises en évidence dans un cas d’étude de réseau contenant des charges à puissance constante (CPLs). Pour pallier à ces problèmes différentes méthodes de commande ont été évaluées afin d'assurer la stabilité du réseau dans tout son domaine de fonctionnement. Afin de valider, et de comparer, les performances des différentes méthodes de commande, un réseau électrique DC a été défini et auquel un cahier des charges a été associé. Ce réseau est caractérisé par deux charges de nature différente et d’un organe de stockage réversible. Ce dernier est considéré comme le seul degré de liberté disponible afin de réaliser l'objectif de stabilisation. Les travaux portant sur le développement de méthodes de commande ont été menés plus spécifiquement sur trois axes. La synthèse par « backstepping » comme première méthode de commande a été orientée par la nature non linéaire du modèle. Cette façon d’approcher la régulation de la tension du réseau a permis de synthétiser une loi de commande stabilisante en reformulant le modèle du réseau sous une structure cascade. Cette approche présente comme intérêt d'assurer la stabilité globale du système bouclé et de déduire un réglage des paramètres de la régulation en tenant compte des performances dynamiques souhaitées. Néanmoins, les études effectuées ont mis en évidence que l’utilisation de cette méthode, ne peut être réalisée systématiquement pour les structures d'un réseau à plus d'une charge. Pour pallier à ce problème, une deuxième approche fondée sur les méthodes de passivité pour synthétiser une commande par «injection d'amortissement » a été mise en œuvre. Cette approche permet d'ajouter un amortisseur virtuel au filtre d'entrée afin de compenser l’effet d'impédance négative introduit par la CPL. Dans cette approche de stabilisation, l’organe de stockage a été connecté au réseau via un convertisseur entrelacé à charge commune afin d’avoir un degré de liberté supplémentaire. Cette stratégie de stabilisation peut être considérée comme une approche décentralisée où on peut connecter aux bornes de chaque filtre d'entrée des différentes charges un stabilisateur local. Cependant, l’utilisation de ce type de convertisseur peut rendre l’architecture du réseau plus complexe. Enfin, pour proposer une solution intégrée permettant de mieux répondre à la problématique de la stabilisation de la tension du réseau, une approche fondée sur une représentation sous forme multi modèle du système a été étudiée. Cette approche de modélisation, associée à une commande par retour d’état obtenue par interpolations de gains locaux, donnés par la solution d’un système d’inégalités matricielles linéaires (LMIs), permet de prendre en compte l’aspect non linéaire du procédé et de garantir la stabilité et le niveau de performances définis à priori, tout en étant adaptée au cas des réseaux à plusieurs charges. Cette commande a été associée à un multi-observateur afin d'estimer des variables d’état, parfois difficilement mesurables (les courants) du réseau. La synthèse du multi-observateur a été effectuée selon une démarche identique à celle utilisée pour la synthèse de la loi de commande. Des analyses effectuées au moyen de modèles non linéaires, comportant des représentations plus fines que celles utilisées pour la synthèse des lois de commande, ont permis de vérifier les performances de cette approche et de valider ainsi la pertinence de ce type de structure.

Mots-clés : Réseau électrique, Commande, Electronique de puissance,Charge à puissance constante (CPL),Multi-modèle,Multi-observateur

Jury:

M. Mohamed BECHERIF                  Université de Technologie de Belfort-Montbéliard         Rapporteur
M. Juvelino DASILVA                      BOWEN-ERTE                                                       Examinateur
M. Demba DIALLO                         GEEPS, Université de Paris Sud                                 Examinateur
M. Mohamed DJEMAI                     Université de Valenciennes et Hainaut-Cambrésis         Rapporteur
M. Akram FAYAZ                          CentraleSupélec-CNAM                                           Co-encadrant de thèse
M. Emmanuel GODOY                    CentraleSupélec - LSS                                            Directeur de thèse
M. Charif KARIMI                          CentraleSupélec - GEEPS - Département Energie         Co-encadrant de thèse
M. Serge PIERFEDERICI                  GREEN - ENSEM Université de Lorraine                       Examinateur

Approche bayésienne de l'estimation des composantes périodiques des signaux en chronobiologie.

Mircea DUMITRU
Soutenance de thèse de doctorat le 25 Mars 2016, 10h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi Ampère

La toxicité et l'efficacité de plus de 30 agents anticancéreux présente de très fortes variations
en fonction du temps de dosage. Par conséquent, les biologistes qui étudient le rythme circadien ont
besoin une méthode très précise pour estimer le vecteur de composantes périodiques (CP) de signaux
chronobiologiques En outre, dans les développements récents, non seulement la période dominante
ou le vecteur de CP présentent un intérêt crucial, mais aussi leur stabilités ou variabilités. Dans les
expériences effectuées en traitement du cancer, les signaux enregistrés correspondant à différentes
phases de traitement sont courts, de sept jours pour le segment de synchronisation jusqu'à deux ou
trois jours pour le segment après traitement. Lorsque on étudie la stabilité de la période dominante nous
devons considérer des signaux très court par rapport à la connaissance a priori de la période dominante,
placée dans le domaine circadien. Les approches classiques basées sur la transformée de Fourier (TF)
sont inefficaces (i.e. manque de précision) compte tenu de la particularité des données (i.e. la courte
longueur). Une autre particularité des signaux qui est prise en considération dans ces expériences,
est le niveau de bruit. Ces signaux étant très bruités, il est difficile de déterminer les composantes
périodiques associées aux phénomènes biologiques et de les distingue de celle qui sont associées au
bruit. Dans cette thèse, nous proposons une nouvelle méthode pour l'estimation du vecteur de CP des
signaux biomédicaux, en utilisant les informations biologiques a priori et en considérant un modèle
qui représente le bruit.

Les signaux enregistrés dans le cadre d'expériences développées pour le traitement du cancer ont
un nombre limité de périodes. Cette information a priori peut être traduit comme la parcimonie du
vecteur de CP. La méthode proposée considère l'estimation de vecteur de CP comme un problème in-
verse en utilisant l'inférence bayésienne générale afin de déduire toutes les inconnues de notre modèle,
à savoir le vecteur de CP mais aussi les hyperparamètres (i.e. les variances associées). L'information
a priori de parcimonie est modélisée en utilisant une loi a priori renforcent la parcimonie. Dans cette
thèse, nous proposons une distribution de Student, considérée comme la distribution marginale d'une
loi bivariée - la distribution Normale - Inverse Gamma. En fait, lorsque l'égalité entre les paramètres de
forme et d'échelle, de la distribution Inverse Gamma n'est pas imposée, la marginale de la distribution
Normale-Inverse Gamma est une généralisation de la distribution de Student. Nous construisons un mo-
dèle hiérarchique où nous attribuons aussi une loi a priori pour les hyperparamètres. L'expression de
la loi conjointe a posteriori du vecteur de CP et des hyperparamètres est obtenue par la règle de Bayes
et les inconnues sont estimées soit par Maximum A Posteriori (MAP) soit par l'espérance a posteriori
(EAP). Pour le calcul de EAP, l'expression de la loi a posteriori est approchée par une loi séparables en
utilisant l'approximation bayésienne variationnelle (ABV), via la divergence de Kullback-Leibler (KL).
Deux possibilités sont envisagées : une approximation avec des lois partiellement séparables ou entiè-
rement séparable. Ces algorithmes sont présentés en détail et sont comparées avec ceux correspondant
au modèle gaussien. Nous examinons la convergence des algorithmes et donnons des résultats de si-
mulation afin de comparer leurs performances. Enfin, nous montrons des résultats de simulation sur
des données synthétiques et réelles dans une application de traitement du cancer. Les données réelles
utilisées dans cette thèse representent des modèles de repos-activité et d'expression des gènes de KI /
KI Per2 : :luc souris luc, âgées de 10 semaines, seules dans leur cages des RT-BIO.

Mots-clefs: Estimation de composantes périodiques, Problèmes inverses, Approches bayesiennes, Mo-
del hierarchique, Renforcement de parcimonie, Student-t generalisé, chronobiologie, chronothérapie,
Gènes de l'horloge, Rythme circadien, Traitement du cancer.

Composition du jury

M. Ali MOHAMMAD-DJAFARI, Directeur de recherche CNRS, L2S, Gif-sur-Yvette, Directeur de thèse
M. Francis LÉVI, Professeur des Universités, University of Warwick, Angleterre, Co-directeur de thèse
M. Jean-François GIOVANELLI, Professeur des Universités, IMS, Bordeaux, Rapporteur
M. Ercan Engin KURUOGLU, Chercheur sénior CNRS, ISTI, Italie, Rapporteur
M. Alexandre RENAUX, Maître de conférences, Paris-Sud, Orsay, Examinateur
M. Michel KIEFFER, Professeur des Universités, Paris-Sud, Orsay, Examinateur

Deux problèmes de contrôle géométrique: Holonomie Horizontale et Solveur d'esquisse

Boutheina HAFASSA
Soutenance de thèse de doctorat le 13 Janvier 2016, 13h30 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi F3-05

 

 

Composition du Jury:

M. Yacine CHITOUR                     Université Paris Sud, Université Paris-Saclay       Directeur de thèse

Mme Najoua GAMARA                  FST, Université de Tunis ELManar                       Co-directeur de thèse

M. Frédéric JEAN                         ENSTA ParisTech                                               Co-encadrant

M. Mario SIGALOTTI                    INRIA Saclay-Île-de-France                                Co-encadrant

M.Emmanuel TRELAT                   Université Pierre et Marie Curie (Paris 6)             Rapporteur

M. Grégorie CHARLOT                  Université Joseph Fourier                                   Rapporteur

Mme Nabila TORKI-HAMZA           Université de Kairouan                                      Examinateur

M. Jean-Baptiste POMET               Université de Nice Sophia-Antipolis                    Examinateur

Systèmes MIMO : Conception, Estimation du Canal et Détection

Chien-Chun CHENG
Soutenance de thèse de doctorat le 12 Janvier 2016, 14h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi F3-06

Cette  thèse  aborde  plusieurs  problèmes  fondamentaux  des  systèmes  de  communications  sans  fil avec  des  antennes  multiples,  dites  systèmes  MIMO  (multiple  input,  multiple  output).  Les contributions  se  situent  aussi  bien  au  niveau  des  algorithmes  de  réception  qu’au  niveau  de  la génération  du  signal  à  l’émission.  La  plus  grande  partie  de  la  thèse  est  dédiée  à  l’étude  des algorithmes de réception. Les points abordés comprennent la modélisation et l’estimation du canal, la  détection  robuste  des  symboles,  et  la  suppression  des  interférences.  Un  nouveau  modèle  de canal  est  proposé  dans  le  chapitre  3  en  exploitant  les  corrélations  dans  les  domaines  temporel, fréquentiel  et  spatial,  et  en  réduisant  l’espace  des  paramètres  aux  termes  dominants.  Ce  modèle est  utilisé  pour  proposer  ensuite  un  estimateur  de  canal  à  faible  complexité  et  aussi  un  sélecteur de mots de code pour envoyer vers l’émetteur les informations sur l’état du canal. Dans le chapitre 4, la réception robuste est étudiée pour les systèmes MIMO­OFDM sans une connaissance parfaite du canal. Des récepteurs robustes sont proposés pour les cas avec ou sans connaissance statistique du  canal.  La  conception  de  récepteurs  pour  les  systèmes  MIMO­OFDM  en  présence  d’interférence est  étudiée  dans  le  chapitre  5  et  des  récepteurs  robustes  sont  proposés  prenant  en  compte séparément l’interférence causée par les ondes pilotes et celle causée par les symboles d’une part et  l’asynchronisme  entre  le  signal  et  l’interférence  d’autre  part.  Dans  la  deuxième  partie  de  la thèse (chapitre 6), nous abordons les modulations spatiales qui sont particulièrement adaptées aux systèmes  MIMO  dans  lesquels  le  nombre  de  chaines  d’émission  est  inférieur  aux  nombre d’antennes. Remarquant que l’efficacité spectrale de ces systèmes reste très faible par rapport à la technique  de  multiplexage  spatiale,  nous  avons  développé  des  modulations  spatiales  améliorées (ESM,  pour  Enhanced  Spatial  Modulation)  qui  augmentent  substantiellement  l’efficacité  spectrale. Ces  modulations  sont  basées  sur  l’introduction  de  modulations  secondaires,  obtenues  par interpolation.  La  technique  ESM  gagne  plusieurs  décibels  en  rapport  signal  à  bruit  lorsque  les constellations  du  signal  sont  choisies  de  façon  à  avoir  la  même  efficacité  spectrale  que  dans  les modulations spatiales conventionnelles.

Composition du jury proposé:

M. Hikmet SARI     CentraleSupélec   Directeur de thèse
M. Yu T. SU     National Chiao Tung University (NCTU)   CoDirecteur de thèse
M. Luc  VANDENDORPE     Université Catholique de Louvain (UCL)   Rapporteur
M. Lajos  HANZO     University of Southampton   Rapporteur
M. Pierre  DUHAMEL     CentraleSupélec   Examinateur
M. Chung­Ju  CHANG     National Chiao Tung University (NCTU)   Examinateur
M. Serdar SEZGINER     Sequans Communications   Examinateur
M. Dirk  SLOCK     Eurecom   Examinateur


Mots­clés : Systèmes MIMO,Estimation du Canal,Détection Symbole

Stochastic geometry analysis and optimization of mimo-aided LTE-A cellular networks

Peng Guan
Soutenance de thèse de doctorat le 16 Décembre 2015, 14h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi F3-05

The main focus of this thesis is on performance analysis and system optimization of Long Term Evolution - Advanced (LTE-A) cellular networks by using stochastic geometry.

Mathematical analysis of cellular networks is a long-lasting difficult problem. Modeling the network elements as points in a Poisson Point Process (PPP) has been proven to be a tractable yet accurate approach to the performance analysis in cellular networks, by leveraging the powerful mathematical tools such as stochastic geometry. In particular, relying on the PPP-based abstraction model, this thesis develops the mathematical frameworks to the computations of important performance measures such as error probability, coverage probability and average rate in several application scenarios in both uplink and downlink of LTE-A cellular networks, for example, multi-antenna transmissions, heterogeneous deployments, uplink power control schemes, etc. The mathematical frameworks developed in this thesis are general enough and the accuracy has been validated against extensive Monte Carlo simulations. Insights on performance trends and system optimization can be done by directly evaluating the formulas to avoid the time-consuming numerical simulations.

Jury members

M. Pierre DUHAMEL, L2S, CNRS, France, Président
M. Laurent DECREUSEFOND, Telecom ParisTech, France, Rapporteur

M. Ali GHRAYEB, Texas A&M University at Qatar, Qatar, Rapporteur
M. François BACCELLI, INRIA, France/University of Texas at Austin, USA, Examinateur

M. Robert SCHOBER, University Erlangen-Nürnberg, Germany, Examinateur
M. Anthony BUSSON, Université Lyon 1, France, Directeur de thèse

M. Marco DI RENZO, L2S, CNRS, France, Co-Directeur de thèse

 

New Results on Stochastic Geometry Modeling of Cellular Networks: Modeling, Analysis and Experimental Validation.

Wei LU
Soutenance de thèse de doctorat le 16 Décembre 2015, 10h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi F3-05

L'hétérogénéité et l’irrégularité croissante des déploiements des réseaux sans fil de nouvelles générations soulèvent des défis importants dans l’évaluation de performances de ces réseaux. Les modèles classiques s’appuyant sur des modèles hexagonaux pour décrire les emplacements géographiques des nœuds de transmission sont difficilement adaptables à ces réseaux. Dans ce contexte, il a été proposé un nouveau paradigme de modélisation des réseaux sans fil qui s’appuie sur les processus ponctuels de Poisson (PPP), et de manière générale sur la géométrie stochastique. L'analyse, au travers de ces outils mathématiques, présente une complexité indépendante de la taille du réseau, et permet d’estimer avec précision des quantités pratiques liées aux performances des réseaux cellulaires. Cette thèse a porté sur la faisabilité mathématique de l'approche fondée sur les PPP en proposant de nouvelles méthodes mathématiques d’approximations justes incorporant des modèles de propagation du canal radio. Dans un premier temps, un nouveau cadre mathématique, considéré comme une approche Equivalent-in-Distribution (EiD), a été proposée pour le calcul exact de la probabilité d'erreur dans les réseaux cellulaires. L'approche proposée, s’appuyant donc sur la géométrie aléatoire et des modèles spatiaux, montre une complexité faible en terme d’évaluation numérique et est applicable à un grand nombre de configurations MIMO pour lesquelles nous considérons différentes techniques de modulation et techniques de récupération du signal. Dans un deuxième temps, nous étudions les performances des réseaux cellulaires en présence de relais, où trois processus ponctuels de Poisson modélisent respectivement les nœuds relais, les stations de base, et les terminaux mobiles. Pour ce modèle, nous avons considéré des critères souples d'association. Le cadre mathématique proposé et les résultats associés ont montré que les performances dépendent fortement des exposants des fonctions d’atténuation sur les deux premiers sauts sans fil. Nous montrons aussi qu’une mauvaise configuration du réseau peut amener à des gains négligeables de l’utilisation de cette technique. Enfin, nous considérons la modélisation des réseaux cellulaires au travers d’un PPP et d’un modèle unifié d'atténuation de signal généralisée qui prend en compte deux types de liaisons physiques : line-of-sight (LOS) et non-line-of-sight (NLOS). Un modèle de complexité réduite décrivant les propriétés de la liaison radio a aussi été proposée et permet de prendre en compte dans nos calculs un grand nombre de modèle radio proposés dans la littérature. Les résultats montrent, entre autres, qu’une densité optimale pour le déploiement des BS existe lorsque les liens LOS/NLOS sont classés en fonction de leur charge. Nous comparons nos résultats, s’appuyant donc sur un PPP pour modéliser la position des stations de bases et notre modèle de canal radio, avec des simulations de Monte Carlo décrivant des déploiements réels de stations de bases et un modèle de type blocages de construction empiriques. Une bonne correspondance est observée.

Jury:

M. Anthony BUSSON  Université Lyon 1  Directeur de thèse
M. Marco DI RENZO  L2S, CNRS  Co-Directeur de thèse
M. Pierre DUHAMEL  L2S, CNRS  Examinateur
M. François BACCELLI  INRIA  Rapporteur
M. Robert SCHOBER  Friedrich-Alexander University Erlangen-Nürnberg  Rapporteur
M. Laurent DECREUSEFOND  Télécom ParisTech  Examinateur
M. Ali GHRAYEB  Texas A&M University at Qatar  Examinateur


Mots-clés :  géométrie stochastique,réseaux cellulaire,relais,,

Stratégies distribuées d'allocation des ressources blocs dans un réseau OFDMA pour garantir un niveau de service donné

Fan HUANG
Soutenance de thèse de doctorat le 16 Décembre 2015, 10h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Salle du conseil du L2S - B4.40


La recherche effectuée dans cette thèse a pour cadre les réseaux radio privés dédiés aux forces de sécurité civile. En effet, doté    actuellement d'un service bande étroite, ils doivent évoluer pour faire face à de nouveaux besoins comme la vidéo ou le multimédia.    L'objectif est donc d'adapter la technologie LTE aux contraintes et propriétés de ces réseaux particulier. Ainsi, le nombre d'utilisateurs est limité mais le service doit toujours être disponible et des priorités peuvent être mises en œuvre.

Dans ce contexte, l'allocation des ressources de communication est un problème important avec des prérequis différents des réseaux d'opérateurs. Notre conception d'algorithmes d'allocation a donc été menée avec deux objectifs principaux : maximiser l'efficacité du    spectre et servir équitablement les utilisateurs au lieu de maximiser le débit global du réseau.

Cette thèse propose des nouvelles stratégies de l'allocation des blocs de ressources (RB) dans les systèmes LTE sur le lien descendant. Au contraire des algorithmes classiques d'allocation des ressources qui se basent sur la capacité de RB déjà estimée, nos stratégies d'allocation des RB cherchent à améliorer le débit utilisateur, en utilisant la coopération à base de Beamforming et les modèles de la théorie des jeux.

1. L'interférence inter-cellulaire est le principal problème des systèmes OFDMA. Grâce aux antennes MIMO (Multiple-Input-Multiple-Output), technique de Beamforming améliore le signal reçu afin d'augmenter le SINR (Signal-to-Interference-plus-Noise-Ratio), mais le signal amélioré peut également influencer l'interférence inter-cellulaire dans les cellules voisines. Dans les méthodes traditionnelles, le contrôleur alloue les RBs aux UEs (User Equipement) en fonction de la capacité des RB et d'autres paramètres, le système applique alors la technique de Beamforming aux équipements utilisateurs choisis. Après la formation des faisceaux, la capacité des RB varie mais l'ordonnanceur conserve la même allocation. Au contraire, notre système alloue les RBs et choisit les vecteurs de Beamforming    conjointement pour améliorer les performances de la technique de Beamforming. Il accroît le débit moyen en augmentant la capacité    moyenne du RB. Comme plusieurs paramètres sont pris en compte, la complexité augmente exponentiellement aussi. Dans cette thèse, nous avons développé une méthode itérative pour réduire la complexité. Notamment, elle améliore de plus de 10% le débit des utilisateurs en bord de la cellule.

2. Contrairement aux performances des algorithmes qui maximisent le débit global du réseau, les approches d'allocation de ressources à base de théorie des jeux maximisent la fonction d'utilité des UE du point de vue économique. Si le modèle a une solution NBS (Nash    Bargaining Solution) il offre une solution optimale de Pareto de la fonction d'utilité.

L'allocation traditionnelle est d'optimiser l'allocation de sous-porteuses à chaque intervalle de temps, mais dans le système OFDMA, les sous-porteuses sont formées de RBs dans le temps. Nous proposons une approche RB NBS, qui est plus efficace que les schémas existants. Nous analysons les canaux de fast-fading et les comparons sans l'influence de l'atténuation. En raison de la grande atténuation de signal en bordure de la cellule, l'utilisateur a toujours des RB de plus faible capacité que celui au centre de la cellule. Notre idée est d'ajouter un facteur de compensation pour combattre l'influence de la perte de propagation. Les facteurs de    compensation sont soigneusement choisis afin de maximiser la fonction NBS. Cependant, le calcul de ces facteurs a une grande    complexité et nous développons quatre solutions approchées qui donnent les mêmes performances avec une bonne précision.    L'évaluation des performances de notre approche confirme que notre méthode et ses solutions approchées sont capables de partager équitablement les ressources sur toute la cellule.

 

Composition du jury :


Mme Véronique VÈQUE   Professeur, (Université Paris-Sud)   Directrice de thèse
Mme Joanna TOMASIK       Professeur (Centrale/Supélec et LRI)   Co-directrice de thèse
M. Marceau COUPECHOUX   Maître de conférence (Télécom ParisTech)   Rapporteur
Mme Megumi KANEKO   Assistant Professeur (Kyoto University)   Rapporteur
M. André-Luc BEYLOT   Professeur (IRIT)   Examinateur
M. Steven MARTIN      Professeur (LRI)   Examinateur
M. Jean-Christophe SCHIEL   Ingénieur (Airbus DS)   Directeur de thèse
M. Djamal ZEGHLACHE   Professeur (Télécom SudParis)  Examinateur

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