Les architectures satellitaires actuelles pour distribution de services interactifs IP et la connectivité large bande sont basées sur les principes en couches du modèle de référence OSI. Il ne fait aucun doute que l'approche classique basée sur la résolution de problèmes spécifiques à chaque couche dans le cadre du modèle de référence a été très fructueuse jusqu'à aujourd'hui. De nombreux protocoles ont été adaptés aux environnements satellite, et les couches physiques actuelles opèrent près de leurs limites théoriques de performance grâce à l'état très avancé des techniques de modulation et de codage. Cependant, les caractéristiques uniques des transmissions par satellite font que de nombreux et importants problèmes tels que la transparence de la mobilité, le respect des niveaux de services négociés ou la fiabilisation à grande échelle des communications point à multipoint n'ont pas encore trouvé de solutions satisfaisantes dans le cadre de l'approche traditionnelle en couches. L'approche modulaire n'appréhende que moyennement les interactions complexes qui existent entre les couches ainsi que celles avec le médium sans fil, et de ce fait le design actuel fait apparaître des redondances et inefficacités affectant les performances globales. De nombreux chercheurs ont donc commencé à aborder ces différents problèmes de manière holistique, en mettant l'accent sur les avantages potentiels d'une collaboration entre couches au-delà du modèle de référence. La flexibilité résultant d'échanges accrus entre les différentes couches offre en effet de riches possibilités d'optimisation globales, favorisant une meilleure intégration des satellites dans un environnement réseau de plus en plus hétérogène. Cette "optimisation multi-couches" apparaît aujourd'hui comme un domaine de recherche très prometteur pour les communications satellitaires et sans fil en général. Elle se caractérise par une approche pluridisciplinaire mêlant différents aspects de la théorie de l'information, du design de protocoles réseau et du traitement du signal avancé. Force est de constater que de nombreuses techniques multi-couches récemment proposées ont commencé à traiter avec succès quelques uns des problèmes énumérés auparavant, ce qui explique que nombreux protocoles, standards et systèmes de nouvelle génération ont déjà commencé à intégrer ces principes de facto. Cette thèse aborde les problèmes liés à la fiabilité des transmissions satellitaires depuis la perspective de l'optimisation multi-couches. S'agissant d'un aspect crucial des communications satellitaires ayant des implications à presque tous les niveaux de la communication - tels que la qualité de service, la complexité des terminaux ou l'utilisation du spectre - le contrôle des erreurs est sans doute l'une des thématiques satellite où les techniques multi-couche peuvent jouer un rôle important. Après une introduction dédiée aux techniques multi couche en général, la première partie de ce travail s'intéresse à la stratégie de contrôle des erreurs des satellites DVB de première génération, où sont identifiées des redondances liées à une gestion inefficace du problème par le décodeur canal et les couches d'adaptation. Une solution basée sur une approche multi-couche réduisant ces inefficacités et améliorant l'utilisation des ressources est alors proposée. Dans un deuxième temps, nous nous consacrons au standard satellite DVB de nouvelle génération et à la définition de GSE, sa nouvelle couche d'adaptation pour IP. Nous montrons comment GSE intègre de nombreux concepts multi-couches, parmi lesquels ceux liés à une gestion des erreurs basée sur les considérations de la première partie de ce travail. La troisième et dernière partie de ce travail présente HERACLES. Ce nouveau mécanisme multi-couches permet d'apporter des capacités accrues de correction d'erreurs et de synchronisation paquets à tout système de communication par paquets sans consommation supplémentaire de bande. HERACLES a été entièrement développé dans le cadre de cette thèse et a fait l'objet de deux brevets récents. Les résultats globaux de ce travail montrent les possibilités offertes par l'approche multi-couches au problème du contrôle des erreurs, et ouvrent d'excellentes perspectives de déploiement dans les réseaux futurs.

Dans le domaine des transmissions de données multimédia, de remarquables progrès ont été fait au cours des vingt dernières années permettant d'optimiser chaque module d'une chaîne de communication moderne. Mais en dépit de ces excellents résultats, une approche cloisonnée ou "séparée" a montré ses limites dans le cas des communications sans fil. Notre approche, qui suit celle du codage source/canal conjoint, a pour objectif de développer des stratégies où le codage de source et le codage canal sont déterminés conjointement tout en prenant en compte les paramètres du réseau et d'éventuelles contraintes utilisateurs. Cette approche offre la possibilité de faire converser le monde de l'application (codage source, chiffrement) et le monde des transmissions (codage canal) afin qu'ils optimisent conjointement l'usage du lien de communications sans fil de bout en bout. Trois axes de recherche sont traités dans ce mémoire de thèse qui permettent d'optimiser l'allocation des ressources de l'utilisateur et du réseau appliquée tout en assurant une compatibilité avec la norme de codage vidéo H.264. Tout d'abord, nous proposons d'utiliser la redondance résiduelle présente dans un flux binaire en sortie du codeur source afin d'améliorer les performances du décodage. Ensuite, nous introduisons une méthode proposant des propriétés de scalabilité temporelle compatible du standard H.264. Enfin, nous présentons une méthode d'optimisation conjointe de la répartition de débit entre le codeur de source et le codeur de canal au moyen d'un contrôleur applicatif estimant la distorsion globale introduite par ces différents codeurs grâce au calcul de la sensibilité des flux binaires considérés.

L'objet de cette thèse est de proposer un codage conjoint source-canal de séquences vidéo pour la transmission sur des canaux sans fil. Le système de codage conjoint source-canal est fondée sur un quantificateur vectoriel structuré et une assignation linéaire d'étiquette qui minimisent simultanément la distorsion canal et la distorsion source. Le quantificateur vectoriel qui est construit à partir de constellations provenant de réseaux de points, lesquels satisfont la propriété de diversité maximale, minimise la distorsion source d'une source gaussienne. La distorsion canal est également minimisée par l'étiquetage linéaire. Nous avons étudié les dépendances entre les coefficients d'ondelettes provenant d'une décomposition t+2D, avec ou sans estimation de mouvement afin d'étendre le schéma du codage conjoint source-canal, développé pour les sources gaussiennes, dans le domaine vidéo où la distribution des coefficients est loin d'être gaussienne. Nous proposons un modèle doublement stochastique afin de capturer ces dépendances et nous l'appliquons à la protection des erreurs pour prédire les coefficients perdus et améliorer ainsi la qualité de vidéo. Dans le cas d'un canal gaussien, nous développons deux systèmes, un avec un étiquetage linéaire non codé et l'autre avec un étiquetage linéaire codé utilisant des codes de Reed-Muller. Nous comparons ces deux schémas de codage avec un schéma non-structuré dont l'étiquetage est adapté au canal et avec un coder vidéo scalable. Dans le cas d'un canal de Rayleigh non-sélectif à évanouissements indépendants le schéma devient robuste lorsque nous utilisons une matrice de rotation avant la transmission sur le canal.

L'utilisation croissante des réseaux à perte de paquets pour la transmission multimédia est placée sous le signe de la fiabilité des données sous contraintes de débit. L'objectif de cette thèse est de construire des représentations dites par "descriptions multiples", à faible redondance, pour compenser la perte d'information sur les canaux de transmission. Nous avons considéré des schémas basées sur des trames d'ondelettes, implantées en "lifting". Dans un premier temps, nous avons considéré la construction de deux descriptions selon l'axe temporel d'un codeur vidéo "t+2D". La redondance introduite par transformée a été ultérieurement réduite par un sous-échantillonnage supplémentaire appliqué aux sous-bandes de détail. Cela permet d'ajuster la redondance à la taille d'une sous-bande d'approximation en ondelettes classiques. Ceci rajoute en revanche un problème de reconstruction parfaite que nous avons étudié en détail. En outre, nous avons établi des critères de choix entre les plusieurs schémas possibles, basés sur la réduction du bruit de quantification. Ensuite, les méthodes ci-dessus ont été adaptées pour le signal bi-dimensionnel (images). Nous avons aussi proposé un post-traitement aux décodeurs, visant à améliorer la qualité de la reconstruction en situation de pertes. Enfin, nous avons abordé le sujet sous un nouvel angle, inspiré de la nouvelle théorie du "Compressed Sensing", en cherchant d'obtenir le débit optimal qui satisfait une contrainte de distorsion maximum autorisée et en exploitant le caractère creux du signal. Cette approche se distingue par le transfert de complexité à l'encodeur en gardant des décodeurs linéaires.

La représentation scalable de l'information s'impose aujourd'hui pour supporter l'hétérogénéité d'un réseau interconnecté tel que l'Internet. Le codage de source adopte, pour ce faire, une approche multi-résolution pouvant délivrer progressivement à un utilisateur le contenu de sa requête. Cependant, en supposant au cours de la transmission une gestion de bout en bout des priorités ainsi établies, ces schémas restent sommairement adaptés aux environnements de pertes de paquets et de qualité de service non garantie.<br />Les codages à description multiple offrent une alternative à la transmission hiérarchisée de l'information en brisant la scalabilité de la source aux abords du canal. Dans cette thèse, nous proposons une méthode originale de description multiple qui réalise une protection différenciée de chaque niveau hiérarchique de la source en fonction des propriétés dynamiques du canal de transmission.<br />La transformation Mojette (transformation de Radon discrète exacte) est une transformation unitaire qui permet de partager un volume de données en un ensemble plus ou moins redondant de projections équivalentes. L'évolution de ce type d'opérateur initialement utilisé dans un espace continu pour la reconstruction tomographique étend le concept de support d'image à celui de mémoire tampon géométrique pour données multimédias. Ce codage à description multiple, généralisé à N canaux, autorise la reconstruction de la mémoire initiale de manière déterministe par des sous-ensembles de projections dont le nombre caractérise le niveau de protection. Ce schéma est particulièrement adapté au mode de transport par paquets sans contrôle d'intégrité extensible du canal de transmission. La hiérarchie de la source est dans ce cas communiquée sous forme transparente pour le canal via des descriptions banalisées.<br />L'évaluation du codage est effectuée en comparant les débits engendrés avec ceux d'un code MDS (Maximum Distance Separable) qui fournissent une solution optimale dans le nombre de symboles nécessaires au décodage. La relaxation des propriétés MDS dans un code (1+ε)MDS avec la transformation Mojette demande une légère augmentation de débit au profit d'une complexité réduite.<br />L'application sur des schémas de compression d'images valide concrètement l'adaptation possible des sources actuelles à un canal de type best-effort. L'utilisation dans un environnement distribué (micro-paiement, stockage distribué de données multimédia) illustre en outre un partage sécurisé de l'information.<br />En perspectives de ce travail, nous avons abordé l'intégration de cette méthode dans un protocole de transmission scalable multimédia et étudié une version probabiliste du système.

Le problème de codage avec information adjacente (CCSI) est une technique récente d'annulation d'interférences en transmission et en compression de données. Ceci concerne les situations où l'émetteur est informé (par une voie retour par exemple) d'une partie de l'interférence canal. L'objectif est alors d' utiliser cette connaissance afin de concevoir un codage efficace. Une application étroitement liée à la transmission et à la compression de données est le "marquage de l'information" (information embedding). Potentiellement prometteur, le marquage d'information pose de nombreux défis dans différents domaines de recherche, allant de l'étude des limites théoriques de performance d'un point de vue théorie de l'information aux aspects liés à leurs implémentation d'un point de vue traitement de signal, en passant par la conception de code d'un point de vue communication numérique et codage. Dans cette thèse nous considérons la problématique de marquage de l'information sous ses trois aspects: de théorie de l'information, de codage et communication et de traitement de signal. Le travail effectué dans le cadre de cette thèse peut être structurée en quatre parties. Dans la première partie, nous formalisons le problème de construction de dictionnaire comme un problème de conception de constellation. En particulier, nous montrons que le problème de codage avec information adjacente disponible à l'encodeur est fondamentalement un problème de codage conjoint source-canal. Ensuite, nous nous basons sur les réseaux de points imbriquées (nested lattices) pour la construction de bons codes algebriques à complexité réduite. Dans la deuxième partie, nous considérons le problème de marquage multiple comme un problème de communication multi-utilisateurs et nous construisons des stratégies de codage qui permettent d'approcher au mieux les limites théoriques de performances. La troisième partie traite le problème de sensibilité à l'information adjacente. Nous y évaluons la dégradation des performances due à une petite perturbation additive de l'information adjacente et nous y montrons que, dans certaines conditions, l'encodeur doit s'adapter à la perturbation en, éventuellement, changer sa stratégie de codage. La quatrième partie traite les performances du CCSI sur un canal AWGN avec jitter (AWGN\&J) d'un point de vue théorie de jeux.

Ce travail de thèse présente une stratégie de transmission exploitant la diversité spatiale pour la transmission d'images sur canal sans fil. On propose ainsi une approche originale mettant en correspondance la hiérarchie de la source avec celle des sous-canauxSISO issus de la décomposition d'un canal MIMO. On évalue les performances des précodeurs usuels dans le cadre de cette stratégie via une couche physique réaliste, respectant la norme IEEE802.11n, et associé à un canal de transmission basé sur un modèle de propagation à tracé de rayons 3D. On montre ainsi que les précodeurs usuels sont mal adaptés pour la transmission d'un contenu hiérarchisé. On propose alors un algorithme de précodage allouant successivement la puissance sur les sous-canaux SISO afin de maximiser la qualité des images reçues. Le précodeur proposé permet d'atteindre un TEB cible compte tenu ducodage canal, de la modulation et du SNR des sous-canaux SISO. A partir de cet algorithme de précodage, on propose une solution d'adaptation de lien permettant de régler dynamiquement les paramètres de la chaîne en fonction des variations sur le canal de transmission. Cette solution détermine la configuration de codage/transmission maximisant la qualité de l'image en réception. Enfin, on présente une étude sur la prise en compte de contraintes psychovisuelles dans l'appréciation de la qualité des images reçues. On propose ainsi l'intégration d'une métrique à référence réduite basée sur des contraintes psychovisuelles permettant d'assister le décodeur vers la configuration de décodage offrant la meilleure qualité d'expérience. Des tests subjectifs confirment l'intérêt de l'approche proposée. / This thesis presents a transmission strategy for exploiting the spatial diversity for image transmission over wireless channel. We propose an original approach based on the matching between the source hierarchy and the SISO sub-channels hierarchy, resulting from the MIMO channel decomposition. We evaluate common precoder performance in the context of this strategy via a realistic physical layer respecting the IEEE802.11n standard and associated with a transmission channel based on a 3D-ray tracer propagation model. It is shown that common precoders are not adapted for the transmission of a hierarchical content. Then, we propose a precoding algorithm which successively allocates power over SISO subchannels in order to maximize the received images quality. The proposed precoder achieves a target BER according to the channel coding, the modulation and the SISO subchannels SNR. From this precoding algorithm, we propose a link adaptation scheme to dynamically adjust the system parameters depending on the variations of the transmission channel. This solution determines the optimal coding/transmission configuration maximizing the image quality in reception. Finally, we present a study for take into account some psychovisual constraints in the assessment of the received images quality. We propose the insertion of a reduced reference metric based on psychovisual constraints, to assist the decoder in order to determine the decoding configuration providing the highest quality of experience. Subjective tests confirm the interest of the proposed approach.

Les schémas de Codage Vidéo Linéaire (CVL) inspirés de SoftCast ont émergé dans la dernière décennie comme une alternative aux schémas de codage vidéo classiques. Ces schémas de codage source-canal conjoint exploitent des résultats théoriques montrant qu’une transmission (quasi-)analogique est plus performante dans des situations de multicast que des schémas numériques lorsque les rapports signal-à-bruit des canaux (C-SNR) diffèrent d’un récepteur à l’autre. Dans ce contexte, les schémas de CVL permettent d’obtenir une qualité de vidéo décodée proportionnelle au C-SNR du récepteur.Une première contribution de cette thèse concerne l’optimisation de la matrice de précodage de canal pour une transmission de type OFDM de flux générés par un CVL lorsque les contraintes de puissance diffèrent d’un sous-canal à l’autre. Ce type de contrainte apparait en sur des canaux DSL, ou dans des dispositifs de transmission sur courant porteur en ligne (CPL). Cette thèse propose une solution optimale à ce problème de type multi-level water filling et nécessitant la solution d’un problème de type Structured Hermitian Inverse Eigenvalue. Trois algorithmes sous-optimaux de complexité réduite sont également proposés. Des nombreux résultats de simulation montrent que les algorithmes sous-optimaux ont des performances très proches de l’optimum et réduisent significativement le temps de codage. Le calcul de la matrice de précodage dans une situation de multicast est également abordé. Une seconde contribution principale consiste en la réduction de l’impact du bruit impulsif dans les CVL. Le problème de correction du bruit impulsif est formulé comme un problème d’estimation d’un vecteur creux. Un algorithme de type Fast Bayesian Matching Pursuit (FBMP) est adapté au contexte CVL. Cette approche nécessite de réserver des sous-canaux pour la correction du bruit impulsif, entrainant une diminution de la qualité vidéo en l'absence de bruit impulsif. Un modèle phénoménologique (MP) est proposé pour décrire l’erreur résiduelle après correction du bruit impulsif. Ce modèle permet de d’optimiser le nombre de sous-canaux à réserver en fonction des caractéristiques du bruit impulsif. Les résultats de simulation montrent que le schéma proposé améliore considérablement les performances lorsque le flux CVL est transmis sur un canal sujet à du bruit impulsif. / SoftCast based Linear Video Coding (LVC) schemes have been emerged in the last decade as a quasi analog joint-source-channel alternative to classical video coding schemes. Theoretical analyses have shown that analog coding is better than digital coding in a multicast scenario when the channel signal-to-noise ratios (C-SNR) differ among receivers. LVC schemes provide in such context a decoded video quality at different receivers proportional to their C-SNR.This thesis considers first the channel precoding and decoding matrix design problem for LVC schemes under a per-subchannel power constraint. Such constraint is found, e.g., on Power Line Telecommunication (PLT) channels and is similar to per-antenna power constraints in multi-antenna transmission system. An optimal design approach is proposed, involving a multi-level water filling algorithm and the solution of a structured Hermitian Inverse Eigenvalue problem. Three lower-complexity alternative suboptimal algorithms are also proposed. Extensive experiments show that the suboptimal algorithms perform closely to the optimal one and can reduce significantly the complexity. The precoding matrix design in multicast situations also has been considered.A second main contribution consists in an impulse noise mitigation approach for LVC schemes. Impulse noise identification and correction can be formulated as a sparse vector recovery problem. A Fast Bayesian Matching Pursuit (FBMP) algorithm is adapted to LVC schemes. Subchannels provisioning for impulse noise mitigation is necessary, leading to a nominal video quality decrease in absence of impulse noise. A phenomenological model (PM) is proposed to describe the impulse noise correction residual. Using the PM model, an algorithm to evaluate the optimal number of subchannels to provision is proposed. Simulation results show that the proposed algorithms significantly improve the video quality when transmitted over channels prone to impulse noise.