Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les progrès technologiques réalisés ces dernières années ont permis le développement de nouveaux types de capteurs dotés de moyens de communication sans fil, peu onéreux et pouvant être configurés pour former des réseaux autonomes. Les domaines d'application sont nombreux : domotique, santé, domaine militaire ou bien encore surveillance de phénomènes environnementaux. Les limites imposées sont la limitation des capacités de traitement, de stockage et surtout d'énergie. La liberté laissée à l'implantation est forte et impose de concevoir complètement l'infrastructure, les mécanismes et les protocoles en fonction de l'application visée. Dans cette thèse, nous nous sommes tout d'abord focalisés sur des réseaux de petites tailles. Nous avons conçu une solution protocolaire "Placide" pour le suivi de la chaîne du froid proposée dans le cadre du projet ANR-CAPTEURS. L'originalité première de la solution repose sur l'absence d'infrastructure et de Station de Base. Elle est composée de protocoles performants fondés sur la formation d'un anneau virtuel entre les noeuds, auto-organisants et très économes en énergie. Le second axe est dédié à une étude expérimentale de la qualité du lien.L'objectif est double. Nous souhaitions tout d'abord étayer certaines hypothèses effectuées dans la première partie du travail. Il s'agissait ensuite de proposer des protocoles et des algorithmes fondés sur la qualité du lien. Nous nous sommes focalisés sur la variation de la qualité du lien en fonction de la distance entre les noeuds et de la puissance de transmission. Par la suite, l'impact de la qualité du lien sur la topologie du réseau a été étudiée. Les retours d'expérience sont importants quant à la compréhension des facteurs affectant la durée de vie du réseau. La dernière contribution concerne l'exploitation de ces observations en proposant des stratégies de partage decharge. Notre idée est que des protocoles très réduits et des mécanismes simples peuvent être mis en oeuvre pour le routage. Nous illustrons ces principes au travers d'exemples pour lesquels nous montrons la supériorité de ces solutions par rapport à des routages de type plus court chemin. / Technological advances during the last few years allowed the development of new and cheap sensors equiped with wireless communication which can be configured to form autonomous networks. The application areas for wireless sensor networks (WSN) are various: home automations, health care services, military domain, and environment monitoring. The imposed constraints are limited capacity of processing, storage, and especially energy. In addition, implementing WSN solutions is highly open and requires that the infrastructure, the mechanisms and the protocols should be completely designed based on each specific application.In this thesis, we first focused on small networks. We designed « Placide », a protocol stack solution for cold chain monitoring proposed within the ANR-CAPTEURS project. The first originality of this solution is based on the absence of infrastructure and base stations. « Placide » is composed of self-organizing and energy-efficient protocols based on a virtual ring construction between nodes. The second topic is devoted to an experimental study on Link Quality Indicator (LQI). There are two main objectives. Firstly, we want to endorse our precise assumptions of the first part of the work. Secondly, our poposed link quality based protocols and algorithms willbe described. We focused on LQI variations according to distance between nodes and transmission power.Thereafter, the impact of LQI on the network topology has been studied. Feedbacks are important to understand which factors affect the network lifetime. The last contribution relates to the use of these observations by proposing load balancing strategies. Our idea is that very reduced protocols and simple mechanisms can be used in routing protocols. We illustrate these principles through simple examples where we show the superiority of these solutions compared to standard routing like shortest path for example.

Cette thèse porte sur la simulation de la propagation et diffraction d'ondes dans un milieu élastique anisotrope hétérogène fissuré à l'aide de méthodes numériques explicites. L'objectif est de développer une méthode numérique performante capable de prendre en compte les détails géométriques ou singularités de la solution de manière précise. Les deux premières parties sont consacrées à des méthodes de raffinement de maillage spatio-temporel. Adapter le pas de temps localement au pas d'espace permet en même temps de diminuer la dispersion numérique dans la grille grossière et de gagner en temps de calcul. Les méthodes proposées sont conservatives, ce qui garantit la stabilité des schémas numériques. La géométrie des fissures est prise en compte par la méthode des domaines fictifs. La troisième partie présente un nouvel élément fini qui garantit la convergence de cette méthode. La dernière partie décrit le couplage entre les techniques de raffinement et la méthode de domaines fictifs.

Cette thèse porte sur la simulation de la propagation et diffraction d'ondes dans un milieu élastique anisotrope hétérogène fissuré à l'aide de méthodes numériques explicites. L'objectif est de développer une méthode numérique performante capable de prendre en compte les détails géométriques ou singularités de la solution de manière précise. Les deux premières parties sont consacrées à des méthodes de raffinement de maillage spatio-temporel. Adapter le pas de temps localement au pas d'espace permet en même temps de diminuer la dispersion numérique dans la grille grossière et de gagner en temps de calcul. Les méthodes proposées sont conservatives, ce qui garantit la stabilité des schémas numériques. La géométrie des fissures est prise en compte par la méthode des domaines fictifs. La troisième partie présente un nouvel élément fini qui garantit la convergence de cette méthode. La dernière partie décrit le couplage entre les techniques de raffinement et la méthode de domaines fictifs.

Ce sujet de thèse s’inscrit dans le cadre des études actuellement menées au CEA/DAM concernant des schémas numériques ALE (Arbitrary-Lagrangian-Eulerian)de type « Lagrange + Projection », dans le contexte des simulations hydrodynamiques mutli-matériaux en grandes déformations. Ces schémas doivent respecter les équations de conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de l’énergie totale.Les schémas décalés en temps et en espace sont très utilisés dans les codes industriels. Ils sont robustes et permettent une bonne approximation des comportements complexes, mais sont connus pour ne pas conserver exactement l’énergie totale. Cela pose un problème dans le traitement des chocs, sur maillages raffinés ou dans la simulation des milieux réactifs.En 2016, des travaux originaux on été proposés par A. Llor et. al. pour rendre conservatif ce type de schéma dans un contexte lagrangien (sans projection), notamment en proposant une correction pour retrouver la conservation de l’énergie totale.Le travail de cette thèse a été d’étendre ce schéma lagrangien dans un contexte ALE multi-matériaux (avec interface), en garantissant la conservation de toutes les quantités, le respect du second principe de la thermodynamique et la robustesse. De nombreux cas tests ont été menés (en 2D plan et en 2D axisymétrique) et comparés aux méthodes existantes afin de montrer la pertinence de cette approche. / This PhD subject comes within actual studies managed by CEA/DAM about ALE (Arbitrary-Lagrangian-Eulerian) schemes (with a splitting of Lagrangian and Remapping steps) in the context of hydrodynamic simulations. These numerical schemes have to respect mass, momentum and total energy conservation, which are the fundamental equations of the studied systems.Space- and Time-Staggered are widely used in industrial codes for their simplicity androbustness despite their known lack of exact energy conservation. This is a major drawbackin presence of strong shocks. Among all existing schemes, none of them meet the expectations of robustness, conservation,thermodynamic consistency (both shocks and relaxations capture), accuracy andadaptibility to complex behaviors. Recently, some novel works have been proposed by A.Llor et. al. in order to make conservative this type of scheme in a Lagrangian context (without remapping step). Current remap methods, necessary in large deformations, donot guarantee simultaneously total energy conservation and thermodynamic consistency.This work aims at extending this conservative Lagrangian space- and time-staggeredscheme to a multi-material ALE methodology, keeping its good properties (conservation,accuracy, thermodynamic consistency, robustness) intact. Classical, but demanding, test cases have been performed (both in plane and axisymmetric 2D geometries) and have been compared to existing numerical methods in order to assess the relevance of our approach.

La consommation énergétique de nos entités de calculs à grande échelle est une problématique de plus en plus inquiétante. Il est d'autant plus inquiétant que nous nous dirigeons vers "L'exascale",machine qui calcule 10^18 opérations flottantes par secondes, soit 10 fois plus que les meilleurs machines publiques actuelles. En 2017, les data-center consommaient 7% de la demande globale et étaient responsable de 2% de l’émission globale de CO2. Avec la multiplication actuelle du nombre d'outils connectés par personne, réduire la consommation énergétique des data-centers et supercalculateurs à grande échelle est une problématique cruciale pour construire une société numérique durable.Il est donc urgent de voir la consommation énergétique comme une problématique phare de cescentres. De nombreuses techniques, ici nommé "levier", ont été développées dans le but de réduire la consommation électrique des centres de calculs, à différents niveaux : infrastructure, matériel, intergiciel et applicatif. Bien utiliser ces leviers est donc capitale pour s'approcher de l'efficience énergétique. Un grand nombre de leviers sont disponibles dans ces centres de calculs. Malgré leurs gains potentiels, il peut être compliqué de bien les utiliser mais aussi d'en combiner plusieurs en restant efficace en énergie.Dans cette thèse, nous avons abordé la découverte, compréhension et usage intelligent des leviers disponibles à grande échelle dans ces centres de calculs. Nous avons étudié des leviers de manière indépendante, puis les avons combinés à d'autres leviers afin de proposer une solution générique et dynamique à l'usage combiné des leviers. / Energy consumption is a growing concern on the verge of Exascale computing, a machine reaching 10^18 operations per seconds, 10 times the actual best public supercomputers, it became a crucial focus. Data centers consumed about 7% of total demand of electricity and are responsible of 2% of global carbon emission. With the multiplication of connected devices per person around the world, reducing the energy consumption of large scale computing system is a mandatory step to address in order to build a sustainable digital society.Several techniques, that we call leverage, have been developed in order to lower the electricalconsumption of computing facilities. To face this growing concern many solutions have beendeveloped at multiple levels of computing facilities: infrastructure, hardware, middle-ware, andapplication.It is urgent to embrace energy efficiency as a major concern of our modern computing facilities. Using these leverages is mandatory to better energy efficiency. A lot of leverages are available on large scale computing center. In spite of their potential gains, users and administrators don't fully use them or don't use them at all to better energy efficiency. Although, using these techniques, alone and combined, could be complicated and counter productive if not wisely used.This thesis defines and investigates the discovery, understanding and smart usage of leverages available on a large scale data center or supercomputer. We focus on various single leverages and understand them. We then combine them to other leverages and propose a generic solution to the dynamic usage of combined leverages.

Durant ces dernières années, de nombreux travaux de recherches ont été menés dans le domaine des réseaux multi-sauts sans fil à contraintes (MWNs: Multihop Wireless Networks). Grâce à l'évolution de la technologie des systèmes mico-electro-méchaniques (MEMS) et, depuis peu, les nanotechnologies, les MWNs sont une solution de choix pour une variété de problèmes. Le principal avantage de ces réseaux est leur faible coût de production qui permet de développer des applications ayant un unique cycle de vie. Cependant, si le coût de fabrication des nœuds constituant ce type de réseaux est assez faible, ces nœuds sont aussi limités en capacité en termes de: rayon de transmission radio, bande passante, puissance de calcul, mémoire, énergie, etc. Ainsi, les applications qui visent l'utilisation des MWNs doivent être conçues avec une grande précaution, et plus spécialement la conception de la fonction de routage, vu que les communications radio constituent la tâche la plus consommatrice d'énergie.Le but de cette thèse est d'analyser les différents défis et contraintes qui régissent la conception d'applications utilisant les MWNs. Ces contraintes se répartissent tout le long de la pile protocolaire. On trouve au niveau application des contraintes comme: la qualité de service, la tolérance aux pannes, le modèle de livraison de données au niveau application, etc. Au niveau réseau, on peut citer les problèmes de la dynamicité de la topologie réseau, la présence de trous, la mobilité, etc. Nos contributions dans cette thèse sont centrées sur l'optimisation de la fonction de routage en considérant les besoins de l'application et les contraintes du réseau. Premièrement, nous avons proposé un protocole de routage multi-chemin "en ligne" pour les applications orientées QoS utilisant des réseaux de capteurs multimédia. Ce protocole repose sur la construction de multiples chemins durant la transmission des paquets vers leur destination, c'est-à-dire sans découverte et construction des routes préalables. En permettant des transmissions parallèles, ce protocole améliore la transmission de bout-en-bout en maximisant la bande passante du chemin agrégé et en minimisant les délais. Ainsi, il permet de répondre aux exigences des applications orientées QoS.Deuxièmement, nous avons traité le problème du routage dans les réseaux mobiles tolérants aux délais. Nous avons commencé par étudier la connectivité intermittente entre les différents et nous avons extrait un modèle pour les contacts dans le but pouvoir prédire les future contacts entre les nœuds. En se basant sur ce modèle, nous avons proposé un protocole de routage, qui met à profit la position géographique des nœuds, leurs trajectoires, et la prédiction des futurs contacts dans le but d'améliorer les décisions de routage. Le protocole proposé permet la réduction des délais de bout-en-bout tout en utilisant d'une manière efficace les ressources limitées des nœuds que ce soit en termes de mémoire (pour le stockage des messages dans les files d'attentes) ou la puissance de calcul (pour l'exécution de l'algorithme de prédiction).Finalement, nous avons proposé un mécanisme de contrôle de la topologie avec un algorithme de routage des paquets pour les applications orientés évènement et qui utilisent des réseaux de capteurs sans fil statiques. Le contrôle de la topologie est réalisé à travers l'utilisation d'un algorithme distribué pour l'ordonnancement du cycle de service (sleep/awake). Les paramètres de l'algorithme proposé peuvent être réglés et ajustés en fonction de la taille du voisinage actif désiré (le nombre moyen de voisin actifs pour chaque nœud). Le mécanisme proposé assure un compromis entre le délai pour la notification d'un événement et la consommation d'énergie globale dans le réseau. / Great research efforts have been carried out in the field of challenged multihop wireless networks (MWNs). Thanks to the evolution of the Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) technology and nanotechnologies, multihop wireless networks have been the solution of choice for a plethora of problems. The main advantage of these networks is their low manufacturing cost that permits one-time application lifecycle. However, if nodes are low-costly to produce, they are also less capable in terms of radio range, bandwidth, processing power, memory, energy, etc. Thus, applications need to be carefully designed and especially the routing task because radio communication is the most energy-consuming functionality and energy is the main issue for challenged multihop wireless networks.The aim of this thesis is to analyse the different challenges that govern the design of challenged multihop wireless networks such as applications challenges in terms of quality of service (QoS), fault-tolerance, data delivery model, etc., but also networking challenges in terms of dynamic network topology, topology voids, etc. Our contributions in this thesis focus on the optimization of routing under different application requirements and network constraints. First, we propose an online multipath routing protocol for QoS-based applications using wireless multimedia sensor networks. The proposed protocol relies on the construction of multiple paths while transmitting data packets to their destination, i.e. without prior topology discovery and path establishment. This protocol achieves parallel transmissions and enhances the end-to-end transmission by maximizing path bandwidth and minimizing the delays, and thus meets the requirements of QoS-based applications. Second, we tackle the problem of routing in mobile delay-tolerant networks by studying the intermittent connectivity of nodes and deriving a contact model in order to forecast future nodes' contacts. Based upon this contact model, we propose a routing protocol that makes use of nodes' locations, nodes' trajectories, and inter-node contact prediction in order to perform forwarding decisions. The proposed routing protocol achieves low end-to-end delays while using efficiently constrained nodes' resources in terms of memory (packet queue occupancy) and processing power (forecasting algorithm). Finally, we present a topology control mechanism along a packet forwarding algorithm for event-driven applications using stationary wireless sensor networks. Topology control is achieved by using a distributed duty-cycle scheduling algorithm. Algorithm parameters can be tuned according to the desired node's awake neighbourhood size. The proposed topology control mechanism ensures trade-off between event-reporting delay and energy consumption.

L’apprentissage adaptatif distribué sur les réseaux permet à un ensemble d’agents de résoudre des problèmes d’estimation de paramètres en ligne en se basant sur des calculs locaux et sur des échanges locaux avec les voisins immédiats. La littérature sur l’estimation distribuée considère essentiellement les problèmes à simple tâche, où les agents disposant de fonctions objectives séparables doivent converger vers un vecteur de paramètres commun. Cependant, dans de nombreuses applications nécessitant des modèles plus complexes et des algorithmes plus flexibles, les agents ont besoin d’estimer et de suivre plusieurs vecteurs de paramètres simultanément. Nous appelons ce type de réseau, où les agents doivent estimer plusieurs vecteurs de paramètres, réseau multitâche. Bien que les agents puissent avoir différentes tâches à résoudre, ils peuvent capitaliser sur le transfert inductif entre eux afin d’améliorer les performances de leurs estimés. Le but de cette thèse est de proposer et d’étudier de nouveaux algorithmes d’estimation distribuée sur les réseaux multitâches. Dans un premier temps, nous présentons l’algorithme diffusion LMS qui est une stratégie efficace pour résoudre les problèmes d’estimation à simple-tâche et nous étudions théoriquement ses performances lorsqu’il est mis en oeuvre dans un environnement multitâche et que les communications entre les noeuds sont bruitées. Ensuite, nous présentons une stratégie de clustering non-supervisé permettant de regrouper les noeuds réalisant une même tâche en clusters, et de restreindre les échanges d’information aux seuls noeuds d’un même cluster / Distributed adaptive learning allows a collection of interconnected agents to perform parameterestimation tasks from streaming data by relying solely on local computations and interactions with immediate neighbors. Most prior literature on distributed inference is concerned with single-task problems, where agents with separable objective functions need to agree on a common parameter vector. However, many network applications require more complex models and flexible algorithms than single-task implementations since their agents involve the need to estimate and track multiple objectives simultaneously. Networks of this kind, where agents need to infer multiple parameter vectors, are referred to as multitask networks. Although agents may generally have distinct though related tasks to perform, they may still be able to capitalize on inductive transfer between them to improve their estimation accuracy. This thesis is intended to bring forth advances on distributed inference over multitask networks. First, we present the well-known diffusion LMS strategies to solve single-task estimation problems and we assess their performance when they are run in multitask environments in the presence of noisy communication links. An improved strategy allowing the agents to adapt their cooperation to neighbors sharing the same objective is presented in order to attain improved learningand estimation over networks. Next, we consider the multitask diffusion LMS strategy which has been proposed to solve multitask estimation problems where the network is decomposed into clusters of agents seeking different