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

Séminaire d'Automatique du Plateau de Saclay: Virtual Inertia Emulation and Placement in Power Grids

Séminaire le 15 Avril 2016, 11h30 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Salle du conseil du L2S - B4.40
Florian Dörfler (ETH Zurich)


A major transition in the operation of electric power grids is the replacement of bulk generation based on synchronous machines by distributed generation based on low-inertia power electronic sources. The accompanying "loss of rotational inertia" and the fluctuations by renewable sources jeopardize the system stability, as testified by the ever-growing number of frequency incidents. As a remedy, numerous studies demonstrate how virtual inertia can be emulated through various devices, but few of them address the question of "where" to place this inertia. It is however strongly believed that the placement of virtual inertia hugely impacts system efficiency, as demonstrated by recent case studies. We carry out a comprehensive analysis in an attempt to address the optimal inertia placement problem, considering a linear network-reduced power system model along with an H2 performance metric accounting for the network coherency. The optimal inertia placement problem turns out to be non-convex, yet we provide a set of closed-form global optimality results for particular problem instances as well as a computational approach resulting in locally optimal solutions. We illustrate our results with a three-region power grid case study and compare our locally optimal solution with different placement heuristics in terms of different performance metrics.

Séminaire d'Automatique du Plateau de Saclay: A modular design of incremental Lyapunov functions for microgrid control

Séminaire le 15 Avril 2016, 10h30 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Salle du conseil du L2S - B4.40
Claudio De Persis (Groningen University)


In this talk we propose a Lyapunov based analysis of microgrids. The starting point is an energy function comprising the kinetic energy associated with the elements that emulate the rotating machinery and terms taking into account the reactive power stored in the lines and dissipated on shunt elements. We then shape this energy function with the addition of an adjustable voltage-dependent term, and construct incremental storage functions satisfying suitable dissipation inequalities. The choice of the voltage-dependent term depends on the voltage dynamics/controller under investigation. Several microgrids dynamics that have similarities or coincide with dynamics already considered in the literature are captured in this incremental energy analysis framework. These incremental storage functions allow for a complete analysis of the coupled microgrid obviating the need for simplifying linearization techniques and for the restrictive decoupling assumption in which the frequency dynamics is fully separated from the voltage one.

Improved Millimeter-Wave Radar Concealed-Threat Person Scanning

Séminaire le 8 Avril 2016, 14h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Salle du conseil du L2S - B4.40
Carey M. Rappapor


Metal-detecting airport security scanners for airline passengers are being replaced by millimeter-wave imagers. These new systems are much better at revealing concealed manmade objects, but they can be improved. At our Advanced Imaging Technology Lab at Northeastern University in Boston, we are developing a custom-designed elliptical toroid reflector antenna which allows multiple overlapping beams for focused wide-angle illumination to speed data acquisition and accurately image strongly inclined body surfaces.  We have developed the concept of the Blade Beam Reflector both as a single transmitting antenna and a multi-beam Toroidal Reflector, with multiple feeds. Each feed generates a different incident beam with different viewing angles, while still maintaining the blade beam configuration of narrow slit illumination in the vertical direction.  Having multiple transmitters provides horizontal resolution and imaging of full 120 deg. of body.  Furthermore, the reflector can simultaneously be used for receiving the scattered field, with high gain, overlapping, high vertical resolution beams for each transmitting or receiving array element. The multistatic transmitting and receiving array configuration sensing avoids dihedral artifacts from body crevices and reduces non-specular drop-outs, and will leads to a faster, higher resolution, and less expensive security system.

Bio — Carey M. Rappaport received five degrees from the Massachusetts Institute of Technology:  the SB in Mathematics, the SB, SM, and EE in Electrical Engineering in June 1982, and the PhD in Electrical Engineering in June 1987.  He is married to Ann W. Morgenthaler, and has two children, Sarah and Brian. Prof. Rappaport joined the faculty at Northeastern University in Boston, MA in 1987.  He has been Professor of Electrical and Computer Engineering since July 2000. In 2011, he was appointed College of Engineering Distinguished Professor.  He was Principal Investigator of an ARO-sponsored Multidisciplinary University Research Initiative on Humanitarian Demining, Co-Principal Investigator of the NSF-sponsored Engineering Research Center for Subsurface Sensing and Imaging Systems (CenSSIS), and Co-Principal Investigator and Deputy Director of the DHS-sponsored Awareness and Localization of Explosive Related Threats (ALERT) Center of Excellence. Prof. Rappaport has authored over 400 technical journal and conference papers in the areas of microwave antenna design, electromagnetic wave propagation and scattering computation, and bioelectromagnetics, and has received two reflector antenna patents, two biomedical device patents and three subsurface sensing device patents.  He was awarded the IEEE Antenna and Propagation Society's H.A. Wheeler Award for best applications paper, as a student in 1986.  He is a member of Sigma Xi and Eta Kappa Nu professional honorary societies.

S³: Topological Pattern Selection in Recurrent Networks

Séminaire le 1 Avril 2016, 10h30 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Salle du conseil du L2S - B4.40
Alireza Bahraini


One of the differences between memory function of hypocampus and  neural networks situated at neocortex is that in the  latter memory operation still reflect the topography informing synaptic connections. This means that the activity of a unit relates also to its position in the tissue.
We introduce two approaches for incorporating the information of the geometry  of the underlying neural network into its dynamics. This phenomenon is carried out based on two probability rules for selecting storing patterns. First  a Gibbs type distribution inspired by the architecture of the network is applied. We are then led to a second method to introduce topological effects on the dynamics of the network. In both approaches a significant enhancement on the capacity of the network is observed after considerable rigorous computations.

Some References:
1- Bahraini,A, .  Abbassian,A.  Topological Pattern Selection in Recurrent Networks, Journal of Neural Networks, 31, 2012, 22-32.
2- Roudi, Y, Treves, A,. An associative Network with Spatially Organized Connectivity,2004, Journal of Statistical Mechanics.
3- Gallan, R., F., On how network architecture determines the dominant patterns of spontaneous neural activity, PLoS One , 2008.

Bio: I obtained my DEA in 2001 and my PhD in 2004 at University Paris 7 under the supervision of Professor Daniel Bennequin. The title of my thesis was Super-symmetry and Complex Geometry. I joined the department of mathematical sciences of Sharif university of technology as an assistant
professor in 2004 and in 2012 I became an associate professor at the same department.

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

S³: Solving large-scale inverse problems using forward-backward based methods

Séminaire le 11 Mars 2016, 10h30 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Salle du conseil du L2S - B4.40
Audrey Repett: post-doctoral researcher at the Heriot-Watt university, in Scotland


Recent developments in imaging and data analysis techniques came along with an increasing need for fast convex optimization methods for solving large scale problems.  A simple optimization strategy to minimize the sum of a Lipschitz differentiable function and a non smooth function is the forward-backward algorithm. In this presentation, several approaches to accelerate convergence speed and to reduce complexity of this algorithm will be proposed. More precisely, in a first part, preconditioning methods adapted to non convex minimization problems will be presented, and in a second part, stochastic optimization techniques will be described in the context of convex optimization. The different proposed methods will be used to solve several inverse problems in signal and image processing.

Bio: Audrey Repetti is a post-doctoral researcher at the Heriot-Watt university, in Scotland. She received her M.Sc. degree from the Université Pierre et Marie Curie (Paris VI) in applied mathematics, and her Ph.D. degree from the Université Paris-Est Marne-la-Vallée in signal and image processing. Her research interests include convex and non convex optimization, and signal and image processing.

S³: Data-driven, Interactive Scientific Articles in a Collaborative Environment with Authorea

Séminaire le 4 Mars 2016, 10h30 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Salle du conseil du L2S - B4.40
Nathan Jenkins


Most tools that scientists use for the preparation of scholarly manuscripts, such as Microsoft Word and LaTeX, function offline and do not account for the born-digital nature of research objects. Also, most authoring tools in use today are not designed for collaboration and as scientific collaborations grow in size, research transparency and the attribution of scholarly credit are at stake. In this talk, I will show how Authorea allows scientists to collaboratively write rich data-driven manuscripts on the web–articles that would natively offer readers a dynamic, interactive experience with an article’s full text, images, data, and code–paving the road to increased data sharing, data reuse, research reproducibility, and Open Science.

Bio: Nathan Jenkins is co-founder and CTO of Authorea.  A condensed matter physicist, Nathan completed his Ph.D. at the University of Geneva where he studied electronic properties of high temperature superconductors at the atomic scale. He was then awarded a Swiss National Science Foundation scholarship to study as a postdoc at NYU where examined the dynamics of protein folding via atomic force microscopy.  Hailing from California, Nathan resides between Geneva, Switzerland and New York City.

S³: Robust Factor Analysis of Time Series with Long-Memory and Outliers: Application to Air Pollution data

Séminaire le 19 Février 2016, 10h30 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Salle du conseil du L2S - B4.40
Valderio Anselmo Reisen


This paper considers the factor modeling for high-dimensional time series with short and long-memory properties and in the presence of additive outliers. For this, the factor model studied by Lam and Yao (2012) is extended to consider the presence of additive outliers. The estimators of the number of factors are obtained by an eigenanalysis of a non-negative definite matrix, i.e., the covariance matrix or the robust covariance matrix. The proposed methodology is analyzed in terms of the convergence rate of the number factors by means of Monte Carlo simulations. As an example of application, the robust factor analysis is utilized to identify pollution behavior for the pollutant PM10 in the Greater Vitoria region ( ES, Brazil) aiming to reduce the dimensionality of the data and for forecasting investigation.

Bio: Valderio Anselmo Reisen is full Professor of Statistics at the Federal University of Espirito Santo (UFES), Vitoria, Brazil. His main interests are time series analysis, forecasting, econometric modeling, bootstrap, robustness in time series, unit root processes, counting processes,  environmental and economic data analysis, periodically correlated processes, and multivariate time series.

scube.l2s.centralesupelec.fr

S³: Robust spectral estimators for long-memory processes: Time and frequency domain approaches.

Séminaire le 29 Janvier 2016, 10h30 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Salle du conseil du L2S - B4.40
Valderio Anselmo Reisen


This paper discusses the outlier effects on the estimation of a spectral estimator for long memory process under additive outliers and proposes robust spectral estimators. Some asymptotic properties of the proposed robust methods are derived and Monte Carlo simulations investigate their empirical properties.  Pollution series, such as, PM (Particulate matter), SO2 (Sulfur dioxide), are the applied examples investigated here to show the usefulness of the proposed  robust methods in real applications.  These pollutants present, in general, observations with high levels of pollutant concentrations which may produce sample densities with heavy tails  and these high levels of concentrations can be identified as outliers which can destroy the statistical properties of sample functions such as the standard mean,  covariance and the periodogram.

Bio: Valderio Anselmo Reisen is full Professor of Statistics at the Federal University of Espirito Santo (UFES), Vitoria, Brazil. His main interests are time series analysis, forecasting, econometric modeling, bootstrap, robustness in time series, unit root processes, counting processes,  environmental and economic data analysis, periodically correlated processes, and multivariate time series.

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Séminaire S³
www.lss.supelec.fr/scube/
seminaire.scube@l2s.centralesupelec.fr
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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

S³ seminar: A Two-Round Interactive Receiver Cooperation Scheme for Multicast Channels

Séminaire le 8 Janvier 2016, 16h30 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Salle du conseil du L2S - B4.40
Victor Exposito


We consider the problem of transmitting a common message from a transmitter to two receivers over a broadcast channel, which is also called multicast channel in this case. The two receivers are allowed to cooperate with each other in full-duplex over non-orthogonal channels. We investigate the information-theoretic upper and lower bounds on the achievable rate of such channels. In particular, we propose a two-round cooperation scheme in which the receivers interactively perform compress-forward (CF) and then decode-forward (DF) to improve the achievable rate. Numerical results comparing the proposed scheme to existing schemes and the cutset upper bound are provided. We show that the proposed scheme outperforms the non-interactive DF and CF schemes as well as the noisy network coding. The gain over the DF scheme becomes larger when the channel becomes symmetric, while the gain over the CF scheme becomes larger when the channel becomes asymmetric.
 
Bio: Victor Exposito received the Engineering and M.Sc. degree (valedictorian) in communication systems and networks from the Institut National des Sciences Appliquées de Rennes (INSA-Rennes), Rennes, France, in 2014. He is currently working at Mitsubishi Electric R&D Centre Europe (MERCE-France), Rennes, France and Ecole Supérieure d’Electricité (CentraleSupélec), Gif-sur-Yvette, France, toward the Ph.D. degree. His current research interests mainly lie in the area of network information theory.
 

Structured data analysis with Regularized Generalized Canonical Correlation Analysis

A. Tenenhaus
Habilitation à Diriger des Recherches (HDR) le 5 Janvier 2016, 09h30 à

The challenges related to the use of massive amounts of data (e.g omics data, imaging-genetic data, etc)
include identifying the relevant variables, reducing dimensionality, summarizing information in a comprehensible way
and displaying it for interpretation purposes. Often, these data are intrinsically structured in blocks of variables, in groups
of individuals or in tensor. Classical statistical tools cannot be applied without altering their structure leading to the risk of
information loss. The need to analyze the data by taking into account their natural structure appears to be essential but
requires the development of new statistical techniques that constitutes the core of my research for many years.
In particular, I am interested in multiblock, multigroup and multiway structures. In that context a general framework
for structured data analysis based on Regularized Generalized Canonical Correlation Analysis (RGCCA) is defined.

Membres du Jury :

* Hervé Abdi, Professeur, Université of Texas, Rapporteur
* Florence d’Alché-Buc, Professeur, Telecom ParisTech, Rapporteur
* Jean-Philippe Vert, Directeur de Recherche, Mines ParisTech, Rapporteur
* Mohamed Hanafi, Ingénieur-Chercheur, ONIRIS, Examinateur
* Jean-Michel Poggi, Professeur, Paris V, Examinateur
* Gilbert Saporta, Professeur, CNAM, Examinateur

Characterization of Photovoltaic systems for Large Scale Solar Power Generation

Séminaire le 17 Décembre 2015, 16h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Salle du conseil du L2S - B4.40
Fernando Mancilla-David


Photovoltaic electric power generation is increasingly attracting the attention of industry and academia mainly motivated by the urgent need to depart from fossil fuel-based electricity generation. As the cost of PV panels production continues to decrease, it is expected that bulk solar power generation will be competitive with other forms of renewable energy, and hence massively deployed. Grid-connected PV power plants are currently generating up to a few megawatts as a single unit, and built through PV arrays containing hundreds of thousands of solar cells. The PV plant is connected to the ac grid via a power electronics-based interphase realized through a voltage source inverter.

The seminar presents research conducted at the University of Colorado Denver on the modeling and control of this type of systems, often referred to as large PV power plants. The modeling of the various elements making up a large PV power plant, namely PV cells, inverter and an equivalent of the ac grid, will be discussed. Furthermore, the seminar addresses the PV array's maximum power point tracking and the regulation of current injection into the ac grid. Considerations regarding the identification of solar irradiance are also to be discussed. The modeling and control techniques presented within the seminar are validated through computer simulations and/or experimentation performed in the University of Colorado Denver campus.

Biography

Fernando Mancilla-David is an Associate Professor at the University of Colorado Denver, where he teaches and directs research in energy and power systems as a faculty member of the Electrical Engineering Department. Prof. Mancilla-David received the B.S. degree in electrical engineering from the Universidad Tecnica Federico Santa Maria, Valparaiso, Chile, in 1999, and the M.S. and Ph.D. degrees in electrical engineering from the University of Wisconsin-Madison, Madison, Wisconsin, United State of America, in 2002 and 2007, respectively. He has been a visiting professor in several universities in Europe and has coauthored more than 60 technical articles, mostly in the area of utility applications of power electronics.

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

Exploitation des mesures électriques en vue de la surveillance et du diagnostic en temps réel des piles à combustible pour application transport automobile

Miassa TALEB
Soutenance de thèse de doctorat le 30 Novembre 2015, 14h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi F3-05

Dans le contexte énergétique mondial actuel, les piles à combustible à membrane échangeuse de protons constituent une solution prometteuse au futur développement d'une nouvelle génération de véhicules électrifiés, permettant une autonomie plus importante que celle des véhicules électrifiés à batteries. Néanmoins, le développement à grand échelle des piles à combustible reste à ce jour limité en raison de certains verrous technologiques, tel que la gestion de l'eau. Afin de permettre une production de masse des piles à combustible, de tels problèmes doivent être résolus. Plusieurs axes de travail peuvent être envisagés, tant sur les aspects matériels sur la structure de la pile, que du point de vue de la commande en développant des outils algorithmiques permettant le suivi de l'état de fonctionnement du système en vue de détecter les défaillances éventuelles, ou la dégradation des conditions de fonctionnement, et permettre ainsi d'y apporter une solution au moyen du système de commande ou de supervision. Les travaux de cette thèse s'inscrivent dans cette seconde approche et portent plus particulièrement sur la mise en évidence des phénomènes d'engorgement ou d'asséchement du cœur de pile afin de diagnostiquer les éventuels problèmes d'hydratation conduisant à la réduction du rendement, à la diminution des performances ou encore à un vieillissement prématuré. Les méthodes développées au cours de ces travaux se fondent sur des stratégies de suivi de paramètres significatifs d'un modèle de pile dont les évolutions, comparativement à des valeurs de référence, sont caractéristiques de l'état hydratation du cœur de pile. Le suivi en temps réel de ces paramètres permet ainsi de mettre en évidence les phénomènes d'engorgement ou d'asséchement du cœur de pile. Les modèles adoptés pour ces travaux font appel à une représentation de l'impédance électrique de la pile. Ainsi, en suivant cette approche, la stratégie adoptée se fonde alors sur le développement de deux modèles de type circuit électrique : un modèle d'ordre entier puis un modèle d'ordre fractionnaire. Cette deuxième formulation des modèles, plus proche de la réalité physique des phénomènes de transports se produisant au cœur de pile, permet une meilleure représentation de la pile tant du point de vue temporel que fréquentiel. En effet, les analyses effectuées en utilisant des résultats expérimentaux obtenus au moyen d'une cellule de pile (surface active de 100 cm2 conçue par la société UBzM) ont permis de valider que le modèle d'ordre fractionnaire, en contrepartie d'une augmentation de la complexité, permet de mieux reproduire d'une part les résultats temporels de la pile (suivi de tension pour un profil de courant donnée), d'autre part une meilleure approximation de l'impédance mesurée. Des méthodes d'identification paramétrique, conventionnelles et adaptées aux systèmes d'ordre fractionnaire, sont ensuite utilisées afin d’extraire les paramètres des modèles développés à partir de données expérimentales temporelles (tension/courant de la pile), ou fréquentielles (spectroscopie d'impédance). Une étude de sensibilité permet alors de définir les paramètres les plus indicatifs des phénomènes d'engorgement et d'assèchement. L'évolution de ces paramètres, associés à la tension et le spectre d'impédance de la pile, sont alors combinés afin de construire une stratégie de diagnostic de l’engorgement et de l’asséchement du cœur de pile.

Mots-clés : Pile à combustible,Identification paramétrique,Modélisation,Diagnostic,PEMFC

Jury:

M. Emmanuel GODOY                  CentraleSupélec                        Directeur de thèse
M. Olivier BéTHOUX                      GeePs                                          Co-encadrant de thèse
M. Maurice FADEL                          ENSEEIHT/INPT                       Rapporteur
M. Malek GHANES                         ECS-Lab / ENSEA                     Examinateur
M. Michael HILAIRET                     Université de Franche Comté,FEMTO/ST, FCLAB                   Rapporteur
Mme Xuefang LIN SHI                   Institut national des sciences appliquées(INSA) Lyon, Laboratoire Ampère (CNRS UMR 5005)                                Examinateur
Mme Dorothée NORMAND-CYROT  L2S-CNRS-CentraleSupélec        Examinateur

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