De nos jours, le nombre d'appareils connectés nécessitant un accès aux données mobiles est en augmentation constante. L'arrivée d'encore plus d'ojects multimédias connectés et la demande croissante d'informations par appareil ont mis en évidence les limites de la quatrième génération de réseaux cellulaires (4G). Cela a poussé au développement de nouvelles méthodes, dont la 5G. L'objectif est d'être en mesure de prendre en charge la croissance des systèmes portables, des capteurs ou des sysèmes associés à l'internet des objets (IoT). La vision derrière la 5G est de permettre une société entièrement mobile et connectée avec une expérience consistente.Les petites cellules sont la base des normes de communication avancées telles que 4G et maintenant 5G. Ils résultent de l’utilisation de bandes de fréquences plus élevées pour l’accès radiofréquences (RF) afin de supporter de nouvelles normes et exigences croissantes en bande passante. La 5G utilise des ondes millimétriques et nécessite un déploiement dans un environnement urbain intérieur et urbain dense, ce qui peut s'avérer être un défi. C’est là que la 5G devra inclure des solutions de réseau hybrides et pouvoir coexister avec d’autres technologies d’accès sans fil. La communication par lumière visible (VLC) s’inscrit dans ce moule puisque la lumière visible correspond à la bande comprise entre 400 et 800 THz. Le spectre disponible est des milliers de fois plus large que le spectre RF et il n’interfère pas avec celui-ci. Le principe se base sur la combinaison de l'éclairage avec un lien de communication pouvant atteindre des dizaines de gigabits par seconde. Le potentiel est d’offrir un complément à la 5G dans un réseau hybride, offrant une vitesse élevée, aucune interférence et une sécurité accrue au prix d’une couverture limitée et d’une faible maturité technologique.L’objectif de cette thèse est donc de proposer et d’évaluer une implémentation expérimentale d’un système VLC en intérieur et multi-utilisateurs afin de répondre aux objectifs de la configuration light-fidelity (Li-Fi) dans le contexte d’une petite cellule. La première étape de cette étude est un état de l'art détaillé sur le principe de VLC dans la communication sans fil en intérieur et de l’accès multi-utilisateur. Cela permet de mieux expliquer le concept de notre désign et de comparer notre approche aux travaux existants. La deuxième étape consiste en une analyse des principes et des hypothèses pour le système VLC multi-utilisateurs en intérieur portant à la fois sur la technique de modulation et sur les schémas d’accès multi-utilisateurs. Les conclusions tirées des analyses théoriques et numériques servent de base pour la suite du travail. La troisième étape consiste en plusieurs analyses expérimentales sur l'optimisation des performances de diffusion pour un utilisateur unique, puis sur les performances multi-utilisateurs du système à l'aide de divers schémas d'accès. Le débit total avec une LED blanche commerciale atteint 163 Mb/s avec un taux d'erreur réduit d'un facteur de 3,55 grâce au processus d'optimisation des performances. Cette technique a l'avantage d'augmenter la flexibilité pour un scénario avec plusieurs utilisateurs sans augmenter la complexité car seuls les paramètres des filtres de modulation sont altérés. La taille de la cellule obtenue est de 4.56 m² à une distance de 2,15 mètres du transmetteur. Le capacité peut atteindre jusqu'à 40 utilisateurs, ou 40.62 Mb/s dans un scénario à 4 utilisateurs. Il est donc démontré que le système proposé pourrait fonctionner comme une cellule à une distance réaliste, avec un débit de données élevé et la capacité de répondre aux besoins d’un grand nombre d’utilisateurs tout en limitant les coûts de mise en œuvre. / Nowadays, the number of connected devices requiring access to mobile data is considerably increasing. The arrival of even more connected multimedia objects and the growing demand for more information per device highlighted the limits of the fourth generation of broadband cellular networks (4G). This pushed for the development of new methods, one of which is 5G. The goal is to be able to support the growth of wearable, sensors, or related internet-of-object (IoT) systems. The vision behind 5G is to enable a fully mobile and connected society with a consistent experience. In consequence, there is a fundamental need to achieve a seamless and consistent user experience across time and space.Small cells are the basis of advanced communications standards such as 4G and now, 5G. They exist as a result of using higher frequency bands for RF access in order to support new standards and the increasing demands in bandwidth. 5G use millimeter waves and requires a deployment across indoor and dense urban environment which may prove to be a challenge. This is where 5G will need to include hybrid networking solutions and be able to coexist with other wireless access technologies. Visible light communication (VLC) fits into that mold since visible light corresponds to the band between 400 and 800 THz. The available spectrum is multiple thousand times the size of the RF spectrum and it does not interfere with it. The technique combines illumination with communication at possibly tens of gigabits per second. It has the potential to offer a synergistic pairing with 5G in a hybrid network, offering high speed, no interferences, and more security at the cost of limited coverage and low technological maturity.The goal of this thesis is thus to propose and evaluate an experimental implementation of an indoor multi-user VLC system in order to answer the objectives of Li-Fi setup in the context of a small cell. The first step of this study is a detailed state-of-the-art on VLC in indoor wireless communication and multi-user access. It allows the design of our work to be better explained and to compare our approach with existing works. The second step is an analysis of the principles and hypothesis supporting the indoor multi-user VLC system in the study both on the modulation technique and the multi-user access schemes. The conclusions drawn from theoretical and numerical analysis are used as a basis for the rest of the work. The third step is the experimental setup investigations on the single-user broadcast performances optimization and then on the multi-user performances of the system using various schemes. The total throughput using an off-the-shelf white LED reaches 163 Mb/s with a bit-error rate decreased by a factor of 3.55 thanks to the performance optimization process. This technique has the advantage of increasing the flexibility for a multi-access scenario while not augmenting the complexity as it only optimizes the modulation filter parameters. The multi-user access is obtained for a cell size of 4.56 m² at a distance of 2.15 meter away from the transmitter. The user capacity can reach up to 40 users, or 40.62 Mb/s in a 4-user scenario. It is thus demonstrated that the proposed system could function as a cell at a realistic range, with high data rate and the ability to provide for a large amount of users while limiting the cost of implementation.

L'objectif de cette thèse CIFRE est de contribuer à la communication véhiculaire autonome et au développement de la mobilité urbaine. Les travaux sont basés sur les limitations et défis de la communication par radio pour les applications de sécurité et envisagent de déployer le système d'éclairage des véhicules en tant que solution de communication de soutien pour le platooning d'IVC-activées par VC Véhicules autonomes. L'objectif principale de cette recherche doctorale consiste à intégrer le système VLC dans l'architecture existante de C-ITS en développant un prototype VLC, ainsi que des algorithmes de transfert suffisants permettant VLC, RF et des solutions basées sur la perception afin d'assurer les exigences de sécurité maximales et l'échange continu d'informations entre les véhicules. La faisabilité et l'efficacité de la mise en oeuvre du système et des algorithmes de transfert ont fait l'objet de recherches approfondies sur six chapitres, destinés à faciliter une progression logique des matériaux et permettre un accès relativement facile. En plus de l'amélioration de la capacité routière en utilisant les systèmes de conduite autonome à la base de convoi. Les simulations réalisées ainsi que les résultats expérimentaux ont montré que l'intégration de VLC avec les solutions existantes RF a un avantage certain dans la qualité du canal de communication et les exigences de sécurité d'un système de platooning quand un algorithme approprié est utilisé. / This thesis effort contributes to the autonomous vehicular communication and urban mobility improvements. The work addresses the main radio-based V2V communication limitations and challenges for ITS hard-safety applications and intends to deploy the vehicular lighting system as a supportive communication solution for platooning of IVC-enabled autonomous vehicles. The ultimate objectives of this Ph.D research are to integrate the VLC system within the existing C-ITS architecture by developing a VLC prototype, together with sufficient, hand-over algorithms enabling VLC, RF, and perception-based solutions in order to ensure the maximum safety requirements and the continuous information exchange between vehicles. The feasibility and efficiency of the VLC-RF system implementation and hand-over algorithms were subjects to deep investigations over six self-contained chapters meant to facilitate a logical progression of materials and to enable a relatively easy access. In addition to the improvement in road capacity by utilizing the convoy-based autonomous driving systems. The carried out simulations followed-up by experimental results proved that the integration of VLC with the existed RF solutions lead to a definite benefit in the communication channel quality and safety requirements of a platooning system when a proper hand-over algorithm is utilized.

Dans cette thèse, nous concevons et étudions un système de communication bidirectionnel par lumière visible (VLC) entre une diode électroluminescente (DEL) de couleur, intégrée à un objet connecté, et un smartphone. Le dispositif est ainsi capable d'envoyer et de recevoir des informations à travers sa DEL, tandis que le smartphone utilise sa caméra pour recevoir des données et son flash pour envoyer des informations. Nous mettons en œuvre et évaluons expérimentalement ce système VLC DEL-à-camera conçu spécifiquement pour les DELs de couleur à faible puissance. En nous appuyant sur les résultats d'une vaste étude expérimentale, nous modélisons, pour la première fois dans la littérature, le canal de communication DEL-à-caméra. Nous proposons alors un modèle de processus de Bernoulli modulé par une chaîne de Markov, qui nous permet d'étudier facilement l'efficacité de différentes stratégies de retransmission des messages. Nous exploitons ce modèle afin de concevoir un simulateur pour l'évaluation des performances des communications DEL-à-caméra. Afin d'obtenir un système de communication bidirectionnel, nous étudions ensuite les communications de type flash-vers-DEL entre un smartphone non-modifié et une petite DEL de couleur. Les performances, bien que limitées, sont suffisantes pour établir une voie retour qui permet de mettre en œuvre des mécanismes de fiabilisation. Nous proposons alors un mécanisme de codage linéaire pseudo-aléatoire, spécialement adapté aux conditions et contraintes du système DEL-à-caméra en ligne de visée directe. Notre évaluation expérimentale souligne que ce type d'approche augmente le rendement jusqu'à deux fois par rapport aux stratégies de retransmission classiques. Enfin, la plupart des objets que nous adressons ont des contraintes énergétiques importantes. Par conséquent, nous comparons la consommation d'énergie de notre système avec celle d'un module Bluetooth Low Energy avec une activité similaire. Nos résultats montrent que notre système réduit la consommation d'énergie dans le cadre d'un profil d'utilisation classique. / With the exponential growth of the Internet of Things, people now expect every household appliance to be smart and connected. At the same time, smartphones have become ubiquitous in our daily life. Their continuous performance improvement and their compatibility with a broad range of radio protocols as WiFi, Bluetooth Low Energy (BLE) or NFC make them the most convenient way to interact with these smart objects. However, providing wireless connectivity with BLE or NFC means adding an extra chipset and an antenna, increasing the object size and price. Previous works already have demonstrated the possibility of receiving information through visible light using an unmodified smartphone thanks to its camera. Also, LED-to-LED communication for smart devices like toys has been shown previously. However, past efforts in LED to camera communication for IoT device communication have been limited. In this work, we design LightIoT, a bidirectional visible-light communication (VLC) system between a low-cost, low-power colored LED that is part of an IoT device and an off-the-shelf smartphone. The IoT device is thus able to send and receive information through its LED, while the smartphone uses its camera to receive data and its flashlight to send information. We implement and experimentally evaluate a LED-to-camera VLC system, designed specifically for small LEDs. The proposed solution exploits the rolling shutter effect of unmodified smartphone cameras and an original decoding algorithm, achieving a throughput of nearly 2 kb/s. Based on the insight gained from an extensive experimental study, we model, for the first time in the literature, the LED-to-camera communication channel. We propose a Markov-modulated Bernoulli process model, which allows us to easily study the performance of different message retransmission strategies. We further exploit this model to implement a simulator for LED-to-Camera communications performance evaluation. In order to achieve bi-directional communications, we evaluate flashlight-to-LED communications using non-rooted smartphones and small LEDs. With these constraints, our implementation achieves a throughput of 30 bits/second. While limited, this is enough for a feed-back channel coming to support the required redundancy mechanisms. Some of these redundancy mechanisms are based on random linear coding, never tested previously in VLC. Therefore, we design and implement, for the first time in the literature, a pseudo random linear coding scheme especially fitted for line-of-sight LED-to-camera conditions. Experimental evaluation highlights that this type of approach increases the goodput up to twice compared to classical retransmission strategies. Finally, we compare the energy consumption of LightIoT with the one of a BLE module with similar activity. Our results show that using the LED for communication purposes reduces the energy consumption under a normal usage behavior.