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Cooperative Relaying Protocols and Distributed Coding Schemes for Wireless Multiterminal Networks

Abdulaziz MOHAMAD
Thesis defended on May 10, 2016, 2:30 PM at CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi F3-06

In this thesis, we investigate cooperative communication strategies for the slow fading half-duplex Multi-Access Multiple-Relay Channel (MAMRC), defined as follows: (1) Multiple statistically independent sources communicate with a single destination with the help of multiple relays; (2) Each relay is half-duplex; (3) The links between the different nodes are subject to slow fading and additive white Gaussian noise; (4) Some links may interfere. The Multiple Access (MA) part of the channel model, described in time, is generic. MA schemes differ depending on how channel uses are allocated to the senders (sources and relays).

In the first part, we assume no channel state information at the transmitters (sources or relays) and no feedback channel between the nodes. We analyze the individual and common outage events of SR/JNCC/JNCD for the slow fading half-duplex MAMRC, the MA part of the channel model, described in time, being generic. The individual and common outage probabilities serve as lower bounds on the Block/packet Error Rate (BLER) for the proposed SR/JNCC schemes. These bounds are tight for finite codewords length (typically a few hundred channel uses). We also examine the behavior of the outage probabilities in the high-SNR regime to determine the diversity order of the cooperative protocol. We present different approaches to implement SR/JNCC at the relays. In the first approach, the network coding part is based on linear codes over non-binary Galois field (NBNC). We specify a few constraints that the network code must satisfy for the JNCC to achieve the full diversity. For the channel coding part, turbo codes are used to encode the sources' packets, while punctured convolutional codes are used at the relays to generate extra parity bits. Inspired by the earlier work of Jaggi et al., we then come up with a class of simpler very flexible joint network channel binary codes, referred to as Bit-Interleaved XOR (BIXOR) based JNCC. This code construction is not provably full diversity but close to full diversity with high probability. For both classes of JNCC, we apply the concise and elegant factor graph formalism to the decoding problems at the relays and destination, the JNCD algorithms being described as instances of the sum-product message passing algorithm.

In the second part of the thesis, we propose to combine two DF protocols, namely Dynamic Decode-and-Forward (DDF) and Selective Decode-and-Forward (SDF). In Dynamic Selective Decode-and-Forward (D-SDF), the relays decide when they switch from listening to forwarding, which represent an obvious advantage compared to (Static) SDF (S-SDF) to cope with the random nature of wireless environments, and notably with asymmetric error-prone Source-to-Relay (S-R) links. In D-SDF, the condition which determines the switching can vary during the transmission and become less stringent than having successfully decoded all the sources, as in standard DDF. After some time, the relays can adopt an opportunistic behavior and cooperate with any subset of successfully decoded sources. With this additional degree of freedom, sources with poor S-R links will not prevent relays from helping other sources experiencing better link conditions. Our contribution is twofold: Outage behavior of D-SDF on the one hand, and protocol implementation on the other hand. Regarding the first aspect, we characterize the symmetric individual and common MAMRC outage achievable rates in the case where each (relay) sender employs JNCC and each receiver (relay or destination) implements JNCD. As far as protocol implementation is concerned, we design full-diversity JNCC with optimized coding gain, based on families of rate-compatible multiple distributed turbo codes. We also provide a complete description of JNCD at the receivers (destination), based on the sum-product algorithm.

In the third and last part of the thesis, we propose and investigate cooperative Incremental Redundancy Hybrid-ARQ (IR-HARQ) strategies based on Selective Decode and Forward (SDF) relaying for the slow fading Orthogonal Multi-Access Multi-Relay Channel (OMAMRC). In contrast with the system model used in the first two parts, a limited feedback from the destination to the relays and the sources is allowed. The destination uses feedback messages to control the (re)transmission of the different nodes (relays and/or sources) with the aim of improving both the spectral efficiency and the reliability (increasing the possibility of decoding all the packets of the sources). Time slots are used optimally and none of them is wasted. We show by Monte Carlo simulations based on information outage probabilities that even the simplest feedback strategy relying on common ACK/NACK can improve the throughput of the OMAMRC dramatically compared to the no feedback case. Designing and evaluating practical modulation and coding schemes matched to the described feedback cooperative strategies, i.e., with BLER approaching the information outage probabilities, is a natural future research direction.

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
Thesis defended on April 15, 2016, 2:30 PM at CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Salle des séminaires du L2S

To deal with nonlinear, large scale, multi domain, systems, as power systems are, we have witnessed in the last few years an increasing interest in energy–based modeling, analysis and controller design techniques. Energy is one of the fundamental concepts in science and engineering practice, where it is common to view dynamical systems as energy-transformation devices. This perspective is particularly useful in studying complex nonlinear systems by decomposing them into simpler subsystems which, upon interconnection, add up their energies to determine the full systems behavior. This is obviously the most natural and intuitive language to represent power systems. In particular, the use of port–Hamiltonian (pH) systems has been already proven highly successful in many applications, namely for mechanical, electrical and electromechanical systems.  The port-Hamiltonian systems paradigm therefore provides a solid foundation, which suggests new ways to look at power systems analysis and control problems. Based on this framework, this thesis is structured in three main steps: 1 -  Modeling of a generalized class of electric power systems, based on graph theory and port-Hamiltonian representation of the individual components. 2 - Modeling, analysis and control of multi terminal hvdc transmission systems. With the intention to bridge the gap between theory and applications, one of the main concerns is to establish connections between existing engineering solutions, usually derived via ad hoc considerations, and the solutions stemming from theoretical analysis. 3 - Additional contributions of the author in other fields of electric power systems, including traditional ac power systems and microgrids.

 

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
Thesis defended on April 01, 2016, 10:00 AM at 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

A Bayesian approach for periodic components estimation for chronobiological signals

Mircea DUMITRU
Thesis defended on March 25, 2016, 10:00 AM at CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi Ampère

The toxicity and efficacy of more than 30 anticancer agents presents very high variations, depend-
ing on the dosing time. Therefore the biologists studying the circadian rhythm require a very precise
method for estimating the Periodic Components (PC) vector of chronobiological signals. Moreover,
in recent developments not only the dominant period or the PC vector present a crucial interest, but
also their stability or variability. In cancer treatment experiments the recorded signals corresponding
to different phases of treatment are short, from seven days for the synchronization segment to two or
three days for the after treatment segment. When studying the stability of the dominant period we have
to consider very short length signals relative to the prior knowledge of the dominant period, placed in
the circadian domain. The classical approaches, based on Fourier Transform (FT) methods are ineffi-
cient (i.e. lack of precision) considering the particularities of the data (i.e. the short length). Another
particularity of the signals considered in such experiments is the level of noise: such signals are very
noisy and establishing the periodic components that are associated with the biological phenomena and
distinguish them from the ones associated with the noise is a difficult task. In this thesis we propose
a new method for the estimation of the PC vector of biomedical signals, using the biological prior
informations and considering a model that accounts for the noise.

The experiments developed in the cancer treatment context are recording signals expressing a lim-
ited number of periods. This is a prior information that can be translated as the sparsity of the PC
vector. The proposed method considers the PC vector estimation as an Inverse Problem (IP) using
the general Bayesian inference in order to infer all the unknowns of our model, i.e. the PC vector
but also the hyperparameters. The sparsity prior information is modelled using a sparsity enforcing
prior law. In this thesis we propose a Student-t distribution, viewed as the marginal distribution of
a bivariate Normal - Inverse Gamma distribution. In fact, when the equality between the shape and
scale parameters corresponding to the Inverse Gamma distribution is not imposed, the marginal of the
Normal-Inverse Gamma distribution is a generalization of the Student-t distribution. We build a general
Infinite Gaussian Scale Mixture (IGSM) hierarchical model where we also assign prior distributions for
the hyperparameters. The expression of the joint posterior law of the unknown PC vector and the hy-
perparameters is obtained via the Bayes rule and then the unknowns are estimated via Joint Maximum
A Posteriori (JMAP) or Posterior Mean (PM). For the PM estimator, the expression of the posterior
distribution is approximated by a separable one, via Variational Bayesian Approximation (VBA), us-
ing the Kullback-Leibler (KL) divergence. Two possibilities are considered: an approximation with
partially separable distributions and an approximation with a fully separable one. The algorithms are
presented in detail and are compared with the ones corresponding to the Gaussian model. We examine
the practical convergency of the algorithms and give simulation results to compare their performances.
Finally we show simulation results on synthetic and real data in cancer treatment applications. The
real data considered in this thesis examines the rest-activity patterns and gene expressions of KI/KI
Per2::luc mouse, aged 10 weeks, singly housed in RT-BIO.

Keywords: Periodic Components (PC) vector estimation, Sparsity enforcing, Bayesian parameter
estimation, Variational Bayesian Approximation (VBA), Kullback-Leibler (KL) divergence, Infinite
Gaussian Scale Mixture (IGSM), Normal - Inverse Gamma, Inverse problem, Joint Maximum A Pos-
teriori (JMAP), Posterior Mean (PM), Chronobiology, Circadian rhythm, Cancer treatment.

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
Thesis defended on January 13, 2016, 1:30 PM at 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
Thesis defended on January 12, 2016, 2:00 PM at 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
Thesis defended on December 16, 2015, 2:00 PM at 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
Thesis defended on December 16, 2015, 10:00 AM at CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi F3-05

Abstract: The increasing heterogeneity and irregular deployment of the emerging wireless networks give enormous challenges to the conventional hexagonal model for abstracting the geographical locations of wireless transmission nodes. Against this backdrop, a new network paradigm by modeling the wireless nodes as a Poisson Point Process (PPP), leveraging on the mathematical tools of stochastic geometry for tractable mathematical analysis, has been proposed with the capability of fairly accurately estimating the performance of practical cellular networks. This dissertation investigated the mathematical tractability of the PPP-based approach by proposing new mathematical methodologies, fair approximations incorporating practical channel propagation models. First, a new mathematical framework, which is referred to as an Equivalent--in--Distribution (EiD)--based approach, has been proposed for computing exact error probability of cellular networks based on random spatial networks. The proposed approach is easy to compute and is shown to be applicable to a bunch of multi--input--multi--output (MIMO) setups where the modulation techniques and signal recovery techniques are explicitly considered. Second, the performance of relay--aided cooperative cellular networks, where the relay nodes, the base stations, and the mobile terminals are modeled according to three independent PPPs, has been analyzed by assuming flexible cell association criteria. It is shown from the mathematical framework that the performance highly depends on the path-loss exponents of one-hop and two-hop links, and the relays provide negligible gains on the performance if the system is not adequately designed. Third, the PPP modeling of cellular networks with unified signal attenuation model is generalized by taking into account the effect of line--of--sight (LOS) and non--line--of--sight (NLOS) channel propagation. A tractable yet accurate link state model has been proposed to estimate other models available in the literature. It is shown that an optimal density for the base stations (BSs) deployment exists when the LOS/NLOS links are classified in saturate load cellular networks. In addition, the Monte Carlo simulation results of the real BSs deployments with empirical building blockages are compared with those with PPP distributed BSs with the proposed link state approximation at the end of this dissertation as supplementary material. In general, a good matching is observed.

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
Thesis defended on December 16, 2015, 10:00 AM at CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Salle du conseil du L2S - B4.40

This research takes place in the context of Private Mobile Radio networks evolution which aims at designing a new LTE based PMR    technology dedicated to public security services. As the frequency bands dedicated to this service is scarce and the need of public    safety forces is different, we have revisited the Resource Allocation problem in this thesis with two main objectives: designing new allocation algorithms which outperform the spectrum efficiency and serving fairly the users instead of maximizing the global network throughput.

This thesis proposes new Resource Block (RB) allocation strategies in LTE downlink systems. Instead of the well-known resource    allocation algorithms, which work on the condition that the RB capacity is already estimated, our RB allocation schemes can improve    the potential of the channel capacity, using Beamforming cooperation and game-theoretical problems    

1. With the MIMO (Multiple-Input-Multiple-output) antennas, the Beamforming technique improves the received signal in order to    increase the SINR (Signal-to-Interference-plus-Noise-Ratio), but the improved signal may also influence the inter-cell interference in    the neighbouring cells.  As inter-cell interference is the main interference in the OFDMA system, a smart scheduling can choose UEs    (User Equipment) in adjacent cells to control interference increment caused by Beamforming.

In traditional methods, the scheduler allocates RBs to UEs depending on the RB capacities and other parameters, the system then    applies the Beamforming technique to these chosen UEs. After the Beamforming, the RB capacity varies but the scheduler keeps the same allocation.       

Our scheme allocates the RBs and chooses Beamforming vectors at the same time to enhance the performance of the Beamforming    technique. It increases the average throughput by increasing the RB's average capacity. Because more parameters are taken into    account, the complexity also increases exponentially. In the thesis we find an iterative method to reduce the complexity. From the    simulations, our iterative method also has good performance and improves more than 10\% of throughput on the cell edge.       

2. In contrast to the performance first algorithms, game theoretic allocation schemes maximize the UEs' utility function from the    economical point of view. The NBS (Nash Bargaining Solution) offers a Pareto optimal solution for the utility function.
The traditional NBS allocation in an OFDMA system is to optimize the subcarrier allocation at each time slot, but in the OFDMA    system, the subcarriers are composed of Resource Blocks (RB) in time series. We propose an RB NBS approach, which is more efficient than the existing subcarrier NBS allocation scheme.        

We analyze the fast-fading channels and compare them without the path-loss influence. Because of the great path-loss in cell edge,    the edge UE always has lower RB capacity than the cell center UE. Our idea is to bring in a compensating factor to overcome this path-loss influence, and the compensating factors are carefully chosen to maximize the NBS function. However, the computation of these factors has a high complexity and we develop four approximated solutions which give same performance and accuracy. The performance evaluation confirms that our method and its approximated solutions are able to spread resources fairly over the entire cell.

 

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
Thesis defended on November 30, 2015, 2:00 PM at 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

Explicit robust constrained control for linear systems : analysis, implementation and design based on optimization

Ngoc Anh NGUYEN
Thesis defended on November 26, 2015, 2:00 PM at CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi F3-05

Piecewise affine (PWA) feedback control laws have received significant attention due to their relevance for the control of constrained systems, hybrid systems; equally for the approximation of nonlinear control. However, they are often associated with serious implementation issues. Motivated by the challenges on this class of particular controllers, this thesis is mostly related to their analysis and design.

The first part of this thesis aims to compute the robustness and fragility margins for a given PWA control law and a linear discrete-time system. More precisely, the robustness margin is defined as the set of linear time-varying systems such that the given PWA control law keeps the trajectories inside a given feasible set. On a different perspective, the fragility margin contains all the admissible variations of the control law coefficients such that the positive invariance of the given feasible set is still guaranteed. It will be shown that if the given feasible set is a polytope, then so are these robustness/fragility margins.

The second part of this thesis focuses on inverse optimality problem for the class of PWA controllers. Namely, the goal is to construct an optimization problem whose optimal solution is equivalent to the given PWA function. The methodology is based on convex lifting: an auxiliary dimensional variable which enhances the convexity characterization into recovered optimization problem. Accordingly, if the given PWA function is continuous, the optimal solution to this reconstructed optimization problem will be shown to be unique. Otherwise, if the continuity of this given PWA function is not fulfilled, this function will be shown to be one optimal solution to the recovered problem.

In view of applications in linear model predictive control (MPC), it will be shown that any continuous PWA control law can be obtained by a linear MPC problem with the prediction horizon at most equal to 2 prediction steps. Aside from the theoretical meaning, this result can also be of help to facilitate implementation of PWA control laws by avoiding storing state space partition.

Composition du Jury :

Professor, Miroslav Fikar                                      Slovak University of Technology in Bratislava                            Rapporteur
Doctor,     Maria Seron                                          University of Newcastle                                                                   Rapportrice
Professor, Tor Arne Johansen                             Norwegian University of Science and Technology                    Examinateur
Professor, Luca Zaccarian                                   LAAS--CNRS, Toulouse                                                                  Examinateur
Doctor,     Vivek Dua                                              University College London                                                             Examinateur
Professor, Antoine Girard                                     Laboratoire de Signaux et Systèmes                                            Examinateur
Professor, Sorin Olaru                                           Laboratoire de Signaux et Systèmes, CentraleSupelec           Directeur de thèse
Professor, Pedro Rodriguez-Ayerbe                  Laboratoire de Signaux et Systèmes, CentraleSupelec           Co-encadrant de thèse

 

Mots-clés :

Model predictive control, convex liftings, inverse optimality, piecewise affine functions.

délisation et optimisation de l’interaction entre véhicules électriques et réseaux d’électricité : apport de la théorie des jeux

Olivier BEAUDE
Thesis defended on November 24, 2015, 2:00 PM at CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Salle du conseil du L2S - B4.40

This thesis is a study of the technical and economical interactions between electric vehicles and electrical networks. The recent development of electric mobility justifies the analysis of the potential impact of electric vehicle charging on the electrical networks, but also the possible support that these particular electric consumers could provide in future smart grids. For this reason, most of the results given in this thesis can be applied to a washing machine, a water-heater, a TV, as soon as these equipments become smart! When the decisions of flexible electric consumers interact, smart grids offers a unique exercise area for the tools of game theory. The interpretation is straightforward when the considered problem is strategic by definition, but these tools also allow to shed some light on other aspects: algorithmic coordination, information exchange, etc. Describing the benefits of the use of game theory in this context is the aim of this work, and is done according to three approaches:

1)    algorithmic study: a charging algorithm is proposed to coordinate electric vehicles’ decisions in a given area of the electrical network. The analysis is conducted using the link of the algorithm with an underlying auxiliary charging game, which belongs to the class of potential games;

2)    exchange of information: how should a flexible electric consumer give an image of his energy need to an operator of the electrical network? This part has a strong connection with Cheap-talk in game theory and quantization in signal processing;

3)    strategic study: when groups of numerous electric vehicles – seen as fleets – coexist with individual vehicles. This is an application of the very recent concept of composite games.

In these three studies, a particular attention is drawn to the case of rectangular charging profiles (at constant power and noninterruptible), which are very practical, but often ignored by researchers. Thorough simulations are conducted for a realistic French distribution network.

 

Membres du jury:


BASTARD Patrick       Directeur Ingénierie, ADAS, Véhicule Autonome, Technologies électroniques (Renault SAS)  Invité
DAAFOUZ Jamal        Professeur (CRAN, Université de Lorraine)    Examinateur
DEBBAH Mérouane        Vice-président R&D France Huawei             Président du jury
ERNST Damien                Professeur (Université de Liège), titulaire de la chaire EDF-Luminus sur les Smart grids   Rapporteur
HENNEBEL Martin         Professeur assistant (GeePs - CentraleSupélec)          Encadrant de thèse
LARAKI Rida                  Directeur de Recherche CNRS (LAMSADE)                        Examinateur
LASAULCE Samson    Directeur de Recherche CNRS (L2S - CentraleSupélec)       Directeur de thèse
MOHAND-KACI Ibrahim  Ingénieur (Renault SAS)    Encadrant de thèse
MOULINES Éric              Professeur (École polytechnique)            Rapporteur

Techniques de détection de défauts à base d’estimation d’état ensembliste pour systèmes incertains

Sofiane BEN CHABANE
Thesis defended on October 13, 2015, 2:00 PM at CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi F3-05

This thesis proposes a new Fault Detection approach for linear systems with interval uncertainties, bounded perturbations and bounded measurement noises. In this context, the Fault Detection is based on a set-membership state estimation of the system. The main contributions of this thesis are divided into three parts.

The first part proposes an improved method which combines the good accuracy of the zonotopic set-membership state estimation and the reduced complexity of the ellipsoidal set-membership estimation.

In the second part, a new ellipsoidal state estimation approach based on the minimization of the ellipsoidal radius is developed, leading to Linear Matrix Inequality optimization problems. In this context, both multivariable linear time-invariant systems and linear time-variant systems are considered. An extension of these approaches to systems with interval uncertainties is also proposed.

In the continuity of the previous approaches, two Fault Detection techniques have been proposed in the third part based on these set-membership estimation techniques. The first technique allows to detect sensor faults by checking the consistency between the model and the measurements. The second technique is based on Multiple Models. It deals with actuator/component/sensor faults in the same time. A Min-Max Model Predictive Control is developed in order to find the optimal control and the best model to use for the system in spite of the presence of these faults.

 

Composition du jury :

M. Vicenç PUIG CAYUELA                      Rapporteur                            Universitat Politècnica de Catalunya
M. Didier THEILLIOL                              Rapporteur                             Université de Lorraine - CRAN
M. Teodoro ALAMO                               Co-encadrant                         Universidad de Sevilla
M. Christophe COMBASTEL                   Examinateur                          Université Bordeaux 1
M. Didier DUMUR                                 Directeur de thèse                 CentraleSupélec
M. Morten HOVD                                  Examinateur                          Norwegian University of Science and Technology
Mme Dorothée NORMAND-CYROT      Examinatrice                          CNRS - Laboratoire des Signaux et Systèmes (L2S)
Mme Hélène PIET-LAHANIER               Examinatrice                          ONERA Laboratoire de l'Intégration du Matériau au Système

Membres invités :
M. Eduardo F. CAMACHO                      Co-encadrant                         Universidad de Sevilla
Mme Cristina STOICA MANIU               Co-encadrant                         CentraleSupélec

 

Mots-clés :

Estimation ensembliste, détection de défauts, commande tolérante aux défauts, Inégalité Matricielle Linéaire, systèmes incertains.

Panneaux complexes anisotropes et imagerie électromagnétique rapide.

Giacomo RODEGHIERO
Thesis defended on September 29, 2015, 2:00 PM at CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi Ampère

Non-Destructive Testing/Evaluation (NdT/E) of multi-layered composite materials for problems of quality, viability, safety and availability of systems involving manufactured parts (in aeronautics and in automotive industry, as a good example) has become an interesting and challenging task nowadays. The focus of the PhD thesis is on the electromagnetic (EM) imaging of complex anisotropic multi-slab composite panels as increasingly encountered in applications, yet source of strong challenges at modeling stage and even more at often-in-infancy imaging stage. From eddy-currents to microwaves, there is a strong need to make available modeling and imaging procedures that are robust, fast, accurate and useful to potential end-users' decision about potential defects both at low-frequency (LF) (conductive materials, carbon-fiber like) and high-frequency (HF) (dielectric materials, glass-fiber like). Moreover, it is important to get the results in close-to-real-time. However, this requires an accurate response to external sources of the multilayers, considering the layers which these composite structures are made of as undamaged or damaged. The modeling at forward stage is managed via a first-order solution involving the dyadic Green's functions (DGF) of the layers along with the depolarization tensor of the assumed defects when they are small enough vis-à-vis the skin depth (LF case) or the wavelength (HF case). The accuracy of the DGF has to be ensured even if the sources lie far away from the origin, which yields a fast-oscillating spectrum of the dyads. The Padua-Domínguez interpolation-integration technique is introduced herein in order to evaluate in an effective fashion fast-oscillating integrals.

Damages or disorders, which these composite structures may suffer from, are of many kinds. One could mention voids, fluid-filled cavities or uniaxial defects with obvious impacts on the electromagnetic and geometric parameters of the multilayers. That is, the task to make available to end-users imaging algorithms tailored to detect the presence of defects. The well-known standard MUltiple SIgnal Classification (MUSIC) algorithm, which is based on the Singular Value Decomposition (SVD) of such DGF, is here applied to localize the positions of small multiple defects with weak interaction embedded in anisotropic uniaxial media. The main drawback of MUSIC is its sensitivity with respect to the noise. Therefore, MUSIC with enhanced resolution and Recursively Applied and Projected (RAP) MUSIC are introduced to overcome such a drawback of the standard algorithm and to provide quality results with better resolution.

Jury :

H. Haddar, Directeur de recherche INRIA, DEFI-CMAP, Palaiseau, rapporteur,
A. Tamburrino, Professeur, Università degli Studi di Cassino e del Lazio Meridionale, Cassino, rapporteur,
M. Bonnet, Directeur de recherche CNRS, POems, Unité de Mathématiques Appliquées, Palaiseau, examinateur,
J.-P. Groby, Chargé de recherche CNRS, Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Maine, Le Mans, examinateur,
C. Reboud, Ingénieur-chercheur, CEA LIST, Département Imagerie Simulation pour le Contrôle, Saclay, examinateur,
D. Lesselier, Directeur de recherche CNRS, L2S, Gif-sur-Yvette, Directeur de thèse.

 

Caractérisation des performances minimales d’estimation pour des modèles d’observation non-standards

Chengfang Ren
Thesis defended on September 28, 2015, 2:00 PM at CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi Janet

In the parametric estimation context, estimators performances can be characterized, inter alia, by the mean square error and the resolution limit. The first quantifies the accuracy of estimated values and the second defines the ability of the estimator to allow a correct resolvability. This thesis deals first with the prediction the "optimal" MSE by using lower bounds in the hybrid estimation context (i.e. when the parameter vector contains both random and non-random parameters), second with the extension of Cramér-Rao bounds for non-standard estimation problems and finally to the characterization of estimators resolution. This thesis is then divided into three parts:

- First, we fill some lacks of hybrid lower bound on the MSE by using two existing Bayesian lower bounds: the Weiss-Weinstein bound and a particular form of Ziv-Zakai family lower bounds. We show that these extended lower bounds are tighter than the existing hybrid lower bounds in order to predict the optimal MSE.

- Second, we extend Cramer-Rao lower bounds for uncommon estimation contexts. Precisely: (i) Where the non-random parameters are subject to equality constraints (linear or nonlinear). (ii) For discrete-time filtering problems when the evolution of states is defined by a Markov chain. (iii) When the observation model differs to the real data distribution.

- Finally, we study the resolution of the estimators when their probability distributions are known. This approach is an extension of the work of Oh and Kashyap and the work of Clark to multi-dimensional parameters estimation problems.

 

Jury members :
M. Jean-Yves Tourneret  Professeur à l’INP-ENSEEIHT Toulouse  (Rapporteur)
M. Philippe Forster  Professeur à l’Université Paris-Ouest  (Rapporteur)
M. Cédric Richard  Professeur à l’Université Nice Sophia-Antipolis  (Examinateur)
M. Karim Abed-Meraim  Professeur à l’Université d’Orléans  (Examinateur)
M. Éric Chaumette  Professeur à l’ISAE  (Encadrant de thèse)
M. Jérôme Galy   Maître de conférences à l’Université de Montpellier  (Encadrant de thèse)
M. Alexandre Renaux  Maître de conférences à l’Université Paris-Sud  (Directeur de thèse)


Keywords: Parametric estimation, maximum likelihood estimator, maximum a posteriori estimator, performance analysis, hybrid estimation, lower bounds on the mean square error, statistical resolution limit.

Diffraction électromagnétique par des laminés plans renforcés par des fibres cylindriques arrangées périodiquement.

Changyou Li
Thesis defended on September 28, 2015, 2:00 PM at CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi Ampère

The contribution corresponds to the electromagnetic modeling of fiber-reinforced periodically organized composites. The final goal is to gain a good understanding of their electromagnetic behavior as well as to acquire images that should exhibit the location of possibly damaged zones, and provide some quantification of these zones. The thesis focuses on the scattering of well-organized periodic structures and building up an efficient full-wave computational model for multilayered composites, wherein each layer is reinforced by a periodic array of fibers, which is the first step for further study of the disorganized one.

The work firstly considered the scattering problem of a slab in which infinite circular fibers, with the same radius, are periodically embedded with the same orientation of their axes and the same center-to-center distance. A 2-dimensional problem with normally and obliquely incident E- and H-polarized plane waves as well as Gaussian beams is firstly considered for understanding the principles and philosophies of the used mode-matching method and multipole expansion. Then the work is extended to the investigation of the scattering of the slab to a conically incident 3-dimensional electromagnetic wave, which shows the potential of the work for obtaining the response of the structure to a point source.

A more practical but complicated multilayered composite, constructed by stacking up the slabs one over the other, is further investigated. Two different composites are taken into account. To study the first composite, with fibers in different layers having the same orientations, T-matrix- and S-matrix-based methods are introduced into the work for solving the linear system produced by mode-matching at the boundaries between two adjacent layers. Then, further investigation of the second kind of composite, wherein the fibers within different layers are orientated into different directions, is carried out by extending the approach properly.
Some attention is also given to homogenization issues, so as to link small-scale approaches as developed in the thesis with large-scale ones as often considered in non-destructive testing of composite laminates.

Extensive numerical simulations are proposed, validated with results existing in the literature (notably the ones of photonic crystals) and by using brute-force solvers. Emphasis is also on special cases of composites (glass-fiber- and graphite-fiber-based ones) as most often faced in practical applications, with appropriate frequency bands chosen in harmony with the dielectric or conductive aspect of the reinforcing fibers.

 

Composition du jury :

O. Dazel, Professeur, Université du Maine, Le Mans, rapporteur,
A. Nicolet, Professeur, Aix-Marseille Université, Marseille, rapporteur,
J.-J. Greffet, Professeur, Laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'Optique, Palaiseau, examinateur,
P. Joly, Directeur de recherche INRIA, Palaiseau, examinateur,
C. Reboud, Ingénieur-chercheur, CEA LIST, Département Imagerie Simulation pour le Contrôle, Saclay, examinateur,
D. Lesselier, Directeur de recherche CNRS, L2S, Gif-sur-Yvette, Directeur de thèse.

Trajectory planning and control of collaborative systems: application to trirotor UAVs

Étienne Servais
Thesis defended on September 18, 2015, 3:00 PM at Mines ParisTech (amphi L109)

This thesis is dedicated to the creation of a complete framework, from high-level to low-level, of trajectory generation for a group of independent dynamical systems. This framework, based for the trajectory generation,  on the resolution of Burgers equation, is applied to a novel model of trirotor UAV and uses the flatness of the two levels of dynamical systems.

The first part of this thesis is dedicated to the generation of trajectories. Formal solutions to the heat equation are created using the differential flatness of this equation. These solutions are transformed into solutions to Burgers' equation through Hopf-Cole               transformation to match the desired formations. They are optimized to match specific requirements. Several examples of trajectories are given.

The second part is dedicated to the  autonomous trajectory tracking by a trirotor UAV. This UAV is totally actuated and a nonlinear closed-loop controller is suggested. This controller is tested on the ground and in flight by tracking, rolling or flying, a trajectory. A model is              presented and a control approach is suggested to transport a pendulum load.

Composition du jury

Mme Brigitte d'ANDREA-NOVEL  Professeur, Mines ParisTech  Examinateur, directeur de thèse
M. Jean-Michel CORON  Professeur, Université Pierre et Marie Curie  Examinateur
M. Tarek HAMEL  Professeur, Université de Nice Sophia Antipolis  Rapporteur
M. Miroslav KRSTIC  Professeur, Université de Californie à San Diego  Rapporteur
M. Hugues MOUNIER  Professeur, Université Paris-Sud  Examinateur, directeur de thèse
M. Silviu-Iulian NICULESCU  Directeur de recherche, CNRS  Invité
M. Arnaud QUADRAT  Ingénieur, Sagem-DS  Invité
M. Joachim RUDOLPH  Professeur, Université de la Sarre  Examinateur
M. Claude SAMSON  Directeur de recherche, INRIA  Examinateur

Gestion de la mobilité dans les réseaux Ad Hoc par anticipation des métriques de routage

Sabrine NAIMI
Thesis defended on July 22, 2015, 2:00 PM at CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette)

Avec le succès des communications sans fil, il devient possible d'accéder au réseau partout et à tout moment sans avoir recours à connecter physiquement les appareils communicants à une infrastructure. Les nœuds (ordinateurs portables, smartphones, etc) peuvent analyser les différents canaux radio afin de pouvoir s'associer à un réseau sans fil disponible (station de base, point d'accès, etc.) Un avantage indéniable de ses technologies sans fil est la possibilité d'être mobile tout en restant connecté. Cependant, la mobilité est une tâche difficile à gérer car elle doit être abordée à différentes couches pour être transparente aux utilisateurs. Dans les MANET (Mobile Ad hoc Network), les protocoles de routage utilisent des métriques pour sélectionner les meilleures routes. Les métriques peuvent refléter la qualité de la liaison sans fil et aider à gérer la mobilité.
Mais, un retard important entre l'estimation des métriques et leur inclusion dans le processus de routage rend cette approche inefficace.

Les travaux de cette thèse s'intéressent à la proposition de nouvelles méthodes de calcul des métriques de routage pour gérer le problème de la mobilité dans les réseaux ad hoc. Les nouvelles métriques doivent refléter la qualité du lien et être sensibles à la mobilité en même temps. Nous considérons les métriques classiques, en particulier ETX (Expected Transmission Count) et ETT (Expected Transmission Time). Nous introduisons de nouvelles méthodes pour anticiper les valeurs de ces métriques en utilisant des algorithmes de prédiction. Nous utilisons une approche Cross layer, qui permet l'utilisation conjointe de l'information à partir des couches 1, 2 et 3. La validation de nouvelles méthodes de calcul des métriques de routage nécessite une évaluation au travers d'un véritable banc d'essai. Nous avons donc également mis en oeuvre les nouvelles métriques de routage dans un testbed afin d'évaluer et de comparer leurs performances avec les métriques classiques.

Mots clés :
ETX, métrique, Ad Hoc, réseau sans fil, mobilité, anticipation


Membres du jury:

Directeur de thèse   Mme Véronique VÈQUE   Professeur (Université Paris-Sud)
Directeur de thèse  Mr Ridha BOUALLEGUE   Professeur (Université Tunis El Manar)
Co-directeur de thèse  Mr Anthony BUSSON   Professeur (Université Lyon 1)

Rapporteurs:
Mme Béatrice PAILLASSA   Professeur (Université de Toulouse)
Mme Kaouther SETHOM    Maître de conférences (Université de Carthage Tunis)

Examinateurs:
Mr Anis LAOUTI Enseignant-Chercheur (TELECOM SudParis)
Mme Anne FLADENMULLER Maître de Conférences HDR ( Université Pierre et Marie Curie)

Secure Communication and Cooperation in Interference-Limited Wireless Networks

Germán BASSI
Thesis defended on July 06, 2015, 2:00 PM at CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi Mesny

In this thesis, we conduct an information-theoretic study on two important aspects of wireless communications: the improvement of data throughput in interference-limited networks by means of cooperation between users and the strengthening of the security of transmissions with the help of feedback.

In the first part of the thesis, we focus on the simplest model that encompasses interference and cooperation, the Interference Relay Channel (IRC). Our goal is to characterize within a fixed number of bits the capacity region of the Gaussian IRC, independent of any channel conditions. To do so, we derive a novel outer bound and two inner bounds. Specifically, the outer bound is obtained thanks to a nontrivial extension we propose of the injective semideterministic class of channels, originally derived by Telatar and Tse for the Interference Channel (IC). Additionally, we present two inner bounds, which combine the (partial) decode-and-forward and compress-and-forward relaying strategies with the Han-Kobayashi scheme for the IC to deal with interference.

In the second part of the thesis, we investigate the Wiretap Channel with Generalized Feedback (WCGF) and our goal is to provide a general transmission strategy that encompasses the existing results for different feedback models found in the literature. To this end, we propose two different inner bounds on the capacity of the memoryless WCGF. We first derive an inner bound that is based on the use of joint source-channel coding, which introduces time dependencies between the feedback outputs and the channel inputs through different time blocks. We then introduce a second inner bound where the feedback link is used to generate a key that encrypts the message partially or completely. Moreover, as a side result, we derive an inner bound on secret key agreement for the same channel model.

Membres du jury:

Jean-Claude Belfiore Professeur Télécom ParisTech (Examinateur)

Deniz Gündüz  Professeur Assistant  Imperial College London (Examinateur)

Michel Kieffer  Professeur  CNRS / CentraleSupélec (Examinateur)

Pablo Piantanida  Professeur Assistant  CentraleSupélec (Encadrant de thèse)

Olivier Rioul  Professeur  Télécom ParisTech / LTCI CNRS (Examinateur)

Aydin Sez­gin  Professeur  Ruhr-Universität Bochum (Rapporteur)

Yang Sheng  Professeur Assistant  CentraleSupélec (Encadrant de thèse)

Daniela Tuninetti  Professeure Associée  University of Illinois at Chicago (Rapporteuse)

Localisation des sources aéro-acoustiques et imagerie à haute résolution

Jad ABOU CHAAYA
Thesis defended on June 30, 2015, 2:00 PM at CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi Boucherot

La localisation de sources distribuées en champ proche présente un défi en traitement d'antenne. Une des applications est représentée par l'imagerie acoustique qui consiste à déterminer les positions et les puissances de sources aéro-acoustiques à l'aide d'un réseau de microphones. L'objectif est d’étudier et de réduire les sources aéroacoustiques dans l’industrie du transport. Néanmoins, dans la mesure de nos connaissances, les méthodes à haute résolution pour la localisation et l'estimation de puissance des sources avec étalement spatial n'ont pas était étudiée dans le domaine de l'imagerie acoustique.

Tout d’abord, le modèle de source Distribuées Cohérentes (DC) est étendu en champ proche ainsi que l'estimateur Distributed Signal Parameter Estimator (DSPE) sous le nom de NF-DSPE. Cependant, le NF-DSPE exige la connaissance à priori sur la forme de distribution de la dispersion de la source, la raison qui nous motive à proposer une estimation conjointe de l'angle, la distance, la dispersion et la forme de la source nommée JADSSE. Cette méthode fournit des estimations précises même en absence de l'information sur la forme de la distribution qui décrit la dispersion angulaire de la source.

Ensuite, un solution inspirée de l’estimateur DSPE Découplé (DDSPE) est proposé afin de découpler d’une part l'estimation de l’angle d’arrivée et de la distance et d’autre part l'estimation de la dispersion angulaire. Le NF-DDSPE permets l'estimation des angles et des distances des sources DC sans la connaissance a priori des formes des distributions angulaires. Pourtant, afin d'estimer la dispersion de la source, on propose le DADSSE qui consiste à utiliser le JADSSE et le NF-DDSPE pour estimer successivement la DDA, la distance de la source et ensuite la dispersion et la forme de la distribution.Puis, tenant compte de la configuration de l'application traitée, on construit le modèle de source DC considérant l'extension spatiale bidimensionnelle de la source paramétrée en coordonnées Cartésiennes. Ensuite, deux approches pour l'estimation de la puissance des sources sont proposées : la première exploite  le pseudo-spectre de la formation de voies généralisées et la deuxième repose sur un estimateur de moindres carrés. Les deux méthodes surmontent le défi d'estimer les sources moins puissantes. Les résultats présentent l'avantage de considérer la forme de la source sur la localisation et l'estimation de la puissance.

Finalement, les méthodes proposées sont utilisées sur les données réelles issues de mesures en soufflerie. Les  résultats montrent que les principales sources aéro-acoustiques apparaissent avec les estimateurs de sources ponctuelles et distribuées. Cependant, utiliser des estimateurs basés sur l'étalement de la source (source distribuée) présente les avantages suivants: i) localiser des nouvelles sources; ii) estimer la dispersion et de la forme pour améliorer la caractérisation de ces sources ; iii) détecter des sources aéro-acoustiques très proches; iv) augmenter la gamme d'estimation des puissances pour détecter à la fois les sources faibles et dominantes. En conclusion, on fournit un outil pour une meilleure cartographie des sources aéro-acoustiques qui considère l'estimation de la position, l'étalement, la puissance et la forme.

Membres du jury :

M. ANTONI Jérôme– Professeur – INSA Lyon (Rapporteur)
M. FORSTER Philippe– Professeur – Université Paris Ouest Nanterre La Défense  (Examinateur)
Mme. MARCOS Sylvie– Directeur de recherche CNRS– CentraleSupélec (Directeur de thèse)
M. PICHERAL José – Maîtres de conférences –  CentraleSupélec (Encadrant)
M. WANG Yide – Professeur – Univérsité de Nantes- Polytech Nantes (Rapporteur)

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