Nombreux sont les problèmes classiquement rencontrés dans les sciences de l'ingénieur dont la résolution fait appel à l'estimation d'état d'un système par le biais d'un observateur. La synthèse d'un observateur n'est envisageable qu'à la condition de disposer d'un modèle à la fois exploitable et représentatif du comportement dynamique du système. Or, la modélisation du système et la synthèse de l'observateur deviennent des tâches difficiles à accomplir dès lors que le comportement dynamique du système doit être représenté par un modèle de nature non linéaire. Face à ces difficultés, l'approche multimodèle peut être mise à profit.<br /><br />Les travaux présentés dans cette thèse portent sur les problèmes soulevés par l'identification, l'estimation d'état et le diagnostic de systèmes non linéaires représentés à l'aide d'un multimodèle découplé. Ce dernier, composé de sous-modèles qui peuvent être de dimensions différentes, est doté d'un haut degré de généralité et de flexibilité et s'adapte particulièrement bien à la modélisation des systèmes complexes à structure variable. Cette caractéristique le démarque des approches multimodèles plus conventionnelles qui ont recours à des sous-modèles de même dimension.<br /><br />Après une brève introduction à l'approche multimodèle, le problème de l'estimation paramétrique du multimodèle découplé est abordé. Puis sont présentés des algorithmes de synthèse d'observateurs d'état robustes vis-à-vis des perturbations, des incertitudes paramétriques et des entrées inconnues affectant le système. Ces algorithmes sont élaborés à partir de trois types d'observateurs dits à gain proportionnel, à gain proportionnel-intégral et à gain multi-intégral. Enfin, les différentes phases d'identification, de synthèse d'observateurs et de génération d'indicateurs de défauts sont illustrées au moyen d'un exemple académique de diagnostic du fonctionnement d'un bioréacteur.

Les grands réseaux électriques sont utilisés de plus en plus près de leur limite de stabilité Ceci est dû aux contraintes économiques, politiques et écologiques obligent tes opérateurs1 à exploiter leurs réseaux à la limite de sécurité. Cependant faire fonctionner un réseau trop près de ses limites crée des oscillations de puissance entre les différentes centrales et parties des réseaux liées par des interconnexions assez faibles (en, terme de nombre de lignes d'interconnexion). Ces oscillations " inter-régions " se manifestent sur les arbres des machines concernées (oscillations électro-mécaniques) et affectent la stabilité du réseau. Un moyen efficace pour remédier à ce problème consiste en une utilisation d'un correcteur dit RFC (Remote Feedback Controller). Ce correcteur utilise comme signaux d'entrée des grandeurs provenant de machines distantes du point d'installation du correcteur Ces signaux sont synchronisés par des satellites GPS (Global Positioning System). Les outils d'analyse et de calcul comme l'optimisation convexe avec contraintes LMI (inégalités matricielles linéaires), peuvent permettre le réglage de ce correcteur. Dans te cadre de cette thèse, le travail réalisé traite du problème de la conception et de l'emplacement d'un correcteur RFC utilisant des signaux d'entrée locaux et lointains synchronisés. par les satellites GPS. Les. techniques de programmation convexe avec des contraintes LMÏ sont utilisées pour le réglage de ce correcteur pour l'amortissement des oscillations inter-régions dans lés réseaux électriques. Les correcteurs réalisés sont ensuite implantés dans deux réseaux tests à 4 à 29 machines. Grâce aux techniques LMI les correcteurs sont robustes dans une grande plage de points de fonctionnement des réseaux tests et sont plus performants que les correcteurs traditionnels. De plus, ces correcteurs ne sont pas perturbés par d'éventuels problèmes dus à l'éloignement des signaux, notamment par un retard du signal ou par sa perte éventuelle.

L'allumage d'ergols injectés dans une chambre de combustion, la propagation du noyau de flamme puis sa stabilisation sont autant de paramètres déterminants pour la conception d'un moteur fusée. Pour ce type d'application, il est nécessaire - du point de vue de la modélisation - de tenir compte du couplage existant entre les effets de compressibilité, les processus de mélange turbulent ainsi que de cinétique chimique, dans un environnement diphasique puisque les ergols sont injectés à l'état liquide. Un modèle Lagrangien a été implanté dans le code de calcul compressible N3S-Natur afin de disposer d'un outil numérique capable de simuler le transitoire d'allumage d'un moteur fusée. La physique représentative de chacun des processus physiques impliqués pendant la phase d'allumage a été incorporée puis validée sur des configurations académiques. Ce travail a permis de mettre en évidence l'importance de la description du mélange à petites échelles pour capturer correctement le développement de la flamme. Il a aussi mis en exergue la nécessité de prendre en compte le transitoire thermique des gouttes d'oxygène liquide afin de reproduire fidèlement sa stabilisation. Enfin, il a nécessité l'extension de la notion de fraction de mélange à des cas pratiques présentant plus de deux entrées afin d'être en mesure de simuler la propagation de l'allumage sur la plaque d'injection. Cette approche basée sur l'introduction d'un injecteur fictif est non seulement utile pour la simulation de l'allumage des moteurs-fusées mais peut aussi être employée dans tout autre système impliquant le mélange entre des courants de réactifs issus de deux entrées ou plus.

Les attaques ciblant les systèmes informatiques vont aujourd'hui au delà de simples logiciels malveillants et impliquent de plus en plus des composants matériels. Cette thèse s'intéresse à cette nouvelle classe d'attaques et traite, plus précisément, des attaques par entrées-sorties qui détournent des fonctionnalités légitimes du matériel, tels que les mécanismes entrées-sorties, à différentes fins malveillantes. L'objectif est d'étudier ces attaques, qui sont extrêmement difficiles à détecter par des techniques logicielles classiques (dans la mesure où leur mise en oeuvre ne nécessite pas l'intervention des processeurs) afin de proposer des contre-mesures adaptées, basées sur des composants matériels fiables et incontournables. Ce manuscrit se concentre sur deux cas : celui des composants matériels qui peuvent être délibérément conçus pour être malveillants et agissants de la même façon qu'un programme intégrant un cheval de Troie ; et celui des composants matériels vulnérables qui ont été modifiés par un pirate informatique, localement ou au travers du réseau, afin d'y intégrer des fonctions malveillantes (typiquement, une porte dérobée dans son firmware). Pour identifier les attaques par entrées-sorties, nous avons commencé par élaborer un modèle d'attaques qui tient compte des différents niveaux d'abstraction d'un système informatique. Nous nous sommes ensuite appuyés sur ce modèle d'attaques pour les étudier selon deux approches complémentaires : une analyse de vulnérabilités traditionnelle, consistant à identifier une vulnérabilité, développer des preuves de concept et proposer des contre-mesures ; et une analyse de vulnérabilités par fuzzing sur les bus d'entrées-sorties, reposant sur un outil d'injection de fautes que nous avons conçu, baptisé IronHide, capable de simuler des attaques depuis un composant matériel malveillant. Les résultats obtenus pour chacunes de ces approches sont discutés et quelques contre-mesures aux vulnérabilités identifiées, basées sur des composants matériels existants, sont proposées.

L'exploitation, le contrôle et la signalisation des systèmes de métros modernes et en particulier les métros sans conducteur, reposent sur deux familles de systèmes de communication radio sans fil : les transmissions vitales pour la signalisation et le contrôle des trains à faible débit et les transmissions non vitales très haut débit pour la vidéo surveillance embarquée, le télé-diagnostic,l'information des clients, etc. Lors de la mise en œuvre de tels systèmes de transmission, l'industriel doit donc garantir à l'exploitant de métro des performances concernant les débits et la qualité de la transmission en termes de perte de paquets d'information. Dès lors, appréhender le comportement du canal de propagation est un élément clé pour prédire et améliorer les performances des systèmes de transmission.L'objectif de ces travaux de thèse est double et concerne :• D'une part, la réduction des temps de calcul d'un simulateur de canal à tracé de rayons 3D qui prédit avec précision le comportement du canal de propagation, mais reste coûteux en temps de calculs pour les simulations dynamiques. Nous proposons dans cette thèse une méthode qui s'appuie sur trois critères de visibilité pour simplifier la description de lagéométrie de l'environnement sans pénaliser la prédiction des paramètres caractéristiques du canal de propagation ;• D'autre part, la mise en œuvre d'un nouveau modèle de canal de propagation MIMO dynamique en tunnel rectiligne de section rectangulaire qui permettra d'optimiser des systèmes de transmission multi antennaires (MIMO) pour des applications de transmissions sans fil pour les métros en tunnel. Ce modèle s'inspire globalement du modèle de canal utilisé / The exploitation, control and signalling systems for metro and especially modern driverless metros, are based on two families of radio communication systems Wireless : vital transmissions for signalling and train control low-flow and nonvital transmissions with very high bandwidth for video-tracking systems, telediagnosis, customer information, etc.. During the implementation ofsuch transmission systems, the industrial must therefore ensure the metro operator performance on throughput and transmission quality in terms of packet loss information. Therefore, understanding the behavior of the propagation channel is a key to predict and improve performance of transmission systems.The aim of this thesis is twin and concerns :• On the one hand, the computation time reduction of a 3D ray tracing simulator that accurately predicts the behavior of the propagation channel, but it is expensive in times of calculation for dynamic simulations. We propose here a new method based on three visibility criteria to simplify the geometry description of the environment without degrading the characteristic parameters prediction of the propagation channel ;• On the other hand, the construction of a new model for MIMO propagation channel dynamics in straight tunnel of rectangular section which will optimize transmission systems multi-antennary (MIMO) applications for wireless transmission in metros tunnel. This model draws broadly from the channel model used in the standard WINNER and is fed by the results extracted from the 3D ray tracing channel simulator. The results obtained in this thesis are encouraging and offer many opportunities.

L'allumage d'ergols injectés dans une chambre de combustion, la propagation du noyau de flamme puis sa stabilisation sont autant de paramètres déterminants pour la conception d'un moteur fusée. Pour ce type d'application, il est nécessaire - du point de vue de la modélisation - de tenir compte du couplage existant entre les effets de compressibilité, les processus de mélange turbulent ainsi que de cinétique chimique, dans un environnement diphasique puisque les ergols sont injectés à l'état liquide. Un modèle Lagrangien a été implanté dans le code de calcul compressible N3S-Natur afin de disposer d'un outil numérique capable de simuler le transitoire d'allumage d'un moteur fusée. La physique représentative de chacun des processus physiques impliqués pendant la phase d'allumage a été incorporée puis validée sur des configurations académiques. Ce travail a permis de mettre en évidence l'importance de la description du mélange à petites échelles pour capturer correctement le développement de la flamme. Il a aussi mis en exergue la nécessité de prendre en compte le transitoire thermique des gouttes d'oxygène liquide afin de reproduire fidèlement sa stabilisation. Enfin, il a nécessité l'extension de la notion de fraction de mélange à des cas pratiques présentant plus de deux entrées afin d'être en mesure de simuler la propagation de l'allumage sur la plaque d'injection. Cette approche basée sur l'introduction d'un injecteur fictif est non seulement utile pour la simulation de l'allumage des moteurs-fusées mais peut aussi être employée dans tout autre système impliquant le mélange entre des courants de réactifs issus de deux entrées ou plus. / In the field of liquid rocket propulsion, ignition, propagation and stabilization of the flame are of first importance for the design of the engine. Computational fluid dynamics (CFD) solvers may provide a great deal of help to proceed with the primary design choice but need to be fed with suited physical models. Important modelling efforts are therefore required to provide reliable computational representations able to take into account compressibility effects, turbulent mixing and chemical kinetics in two-phase flows since ergols are injected at the liquid state. A Lagrangian model has been implemented in the compressible solver N3S-Natur so as to obtain a computational tool able to compute the transient ignition of rocket engines. The physical processes involved at each step of this ignition sequence have been integrated and validated on academically configurations. Three significant contributions rose from this work. First of all, it is highlighted that the description of the micro-mixing is of first importance to correctly capture the flame development. This study also emphasized the need to consider the transient heating of liquid oxygen droplets in order to accurately compute the flame stabilization. Finally, the notion of mixture fraction must be extended to practical devices implying more than two inlets. The proposed approach which is based on the introduction of a fictive injector is not only well suited to rocket engine ignition application but also to deal with other practical devices implying two inlets and more.

Les systèmes de communication à intensité optique en espace libre (FSOI) sont largement utilisés dans les communications à courte portée, telles que les communications infrarouges entre des dispositifs électroniques portables. L’émetteur de ces systèmes module sur l’intensité des signaux optiques émis par des diodes électroluminescentes (LEDs) ou des diodes laser (LDs), et le récepteur mesure les intensités optiques entrantes au moyen de photodétecteurs. Les entrées ne sont pas négatives car elles représentent des intensités. En outre, ils sont généralement soumis à des contraintes de puissance de pointe et moyenne, la contrainte de puissance de pointe étant principalement dû aux limitations techniques des composants utilisés, alors que la contrainte de puissance moyenne est imposée par des limitations de batterie et des considérations de sécurité. En première approximation, le bruit dans de tels systèmes peut être supposé être gaussien et indépendant du signal transmis. Cette thèse porte sur les limites fondamentales des systèmes de communication FSOI, plus précisément sur leur capacité. L’objectif principal de notre travail est d’étudier la capacité d’un canal FSOI général à entrées multiples et sorties multiples (MIMO) avec une contrainte de puissance de crête par entrée et une contrainte de puissance moyenne totale sur toutes les antennes d’entrée. Nous présentons plusieurs résultats de capacité sur le scénario quand il y a plus d’antennes d’émission que d’antennes de réception, c’est à-dire, nT > nR > 1. Dans ce scénario, différents vecteurs d’entrée peuvent donner des distributions identiques à la sortie, lorsqu’ils aboutissent au même vecteur d’image multiplié par la matrice de canal. Nous déterminons d’abord les vecteurs d’entrée d’énergie minimale permettant d’atteindre chacun de ces vecteurs d’image. Il définit à chaque instant dans le temps un sous-ensemble de nT − nR antennes à zéro ou à pleine puissance et utilise uniquement les nR antennes restantes pour la signalisation. Sur cette base, nous obtenons une expression de capacité équivalente en termes de vecteur d’image, ce qui permet de décomposer le canal d’origine en un ensemble de canaux presque parallèles. Chacun des canaux parallèles est un canal MIMO nR x nR à contrainte d’amplitude, avec une contrainte de puissance linéaire, pour laquelle des limites de capacité sont connues. Avec cette décomposition, nous établissons de nouvelles limites supérieures en utilisant une technique de limite supérieure basée sur la dualité, et des limites inférieures en utilisant l’inégalité de puissance d’entropie (EPI). Les limites supérieure et inférieure dérivées correspondent lorsque le rapport signal sur bruit (SNR) tend vers l’infini, établissant la capacité asymptotique à haut SNR. À faible SNR, il est connu que la pente de capacité est déterminée par la trace maximale de la matrice de covariance du vecteur image. Nous avons trouvé une caractérisation de cette trace maximale qui est plus facile à évaluer en calcul que les formes précédentes. / Free-space optical intensity (FSOI) communication systems are widely used in short-range communication such as the infrared communication between electronic handheld devices. The transmitter in these systems modulates on the intensity of optical signals emitted by light emitting diodes (LEDs) or laser diodes (LDs), and the receiver measures incoming optical intensities by means of photodetectors. Inputs are nonnegative because they represent intensities. Moreover, they are typically subject to both peak- and average-power constraints, where the peak-power constraint is mainly due to technical limitations of the used components, whereas the average-power constraint is imposed by battery limitations and safety considerations. As a first approximation, the noise in such systems can be assumed to be Gaussian and independent of the transmitted signal. This thesis focuses on the fundamental limits of FSOI communication systems, more precisely on their capacity. The major aim of our work is to study the capacity of a general multiple-input multiple-output (MIMO) FSOI channel under a per-input-antenna peak-power constraint and a total average-power constraint over all input antennas. We present several capacity results on the scenario when there are more transmit than receive antennas, i.e., nT > nR > 1. In this scenario, different input vectors can yield identical distributions at the output, when they result in the same image vector under multiplication by the channel matrix. We first determine the minimum-energy input vectors that attain each of these image vectors. It sets at each instant in time a subset of nT − nR antennas to zero or to full power, and uses only the remaining nR antennas for signaling. Based on this, we derive an equivalent capacity expression in terms of the image vector, which helps to decompose the original channel into a set of almost parallel channels. Each of the parallel channels is an amplitude-constrained nR⇥nR MIMO channel, with a linear power constraint, for which bounds on the capacity are known. With this decomposition, we establish new upper bounds by using a duality-based upper-bounding technique, and lower bounds by using the Entropy Power Inequality (EPI). The derived upper and lower bounds match when the signal-to-noise ratio (SNR) tends to infinity, establishing the high-SNR asymptotic capacity. At low SNR, it is known that the capacity slope is determined by the maximum trace of of the covariance matrix of the image vector. We found a characterization to this maximum trace that is computationally easier to evaluate than previous forms.

Ce mémoire présente la technique employée pour réaliser la simulation en VHDL d'une architecture d'estimateur de canaux pour récepteur à traitement spatiotemporel. Par l'utilisation de réseaux systoliques adaptés pour une future implantation matérielle FPGA, il est possible de démontrer qu'on peut utiliser l'estimation par corrélation et l'estimation par la minimisation de l'erreur quadratique moyenne pour estimer les canaux à la réception d'un système de communication sans fil. Avant tout, une brève revue scientifique sur les systèmes de communication sans-fil est effectué et les deux méthodes d'estimation sont analysées avec Matlab afin de démontrer qu'elles peuvent combattre les distorsions et les évanouissements subis par le signal lors de la transmission. Par la suite, il est proposé d'associer l'utilisation de l'architecture des réseaux systoliques avec les multiplications matricielles. Finalement, deux de ces architectures systoliques sont implantées et utilisées pour la réalisation en VHDL des deux méthodes d'estimation des canaux.

Le développement rapide de la technologie des télécommunications à entrées et à sorties multiples MIMO met la caractérisation et modélisation de canaux sans fil dans une nouvelle perspective. Des recherches additionnelles sur la caractérisation et la modélisation de canaux sont nécessaires pour les déploiements de ces systèmes MIMO. En outre, de nouvelles techniques de caractérisation et de modélisation des canaux sont nécessaires pour faciliter la recherche sur la caractérisation et modélisation du canal MIMO. Trois contributions majeures sont présentées dans cette thèse. Tout d'abord, nous proposons une représentation généralisée et systématique des systèmes et des canaux sans fil dans les domaines spatio-temporels. Celle-ci peut être interprétée comme une extension des travaux de Bello [1, 2] et une généralisation des concepts introduits dans la littérature récente sur les canaux multiples. Dans ce cadre théorique, on propose un ensemble de seize fonctions noyau (kernel) et huit fonctions système et un ensemble de huit fonctions noyau dans le contexte de systèmes pratiques : ceux-ci sont définis dans le temps, la fréquence, l'espace et le vecteur d'onde pour la caractérisation du canal et du système MIMO. L'utilisation du cadre pratique est illustrée par une série d'exemples en utilisant des mesures basées sur des signaux de télévision numérique ATSC aux fréquences UHF. Les résultats étudiés comprennent les fonctions noyau spatiales mesurées, les spectres reçus dans le vecteur d'onde pour les canaux de liaison descendante et les fonctions de corrélation spatiale pour les canaux de liaison montante Deuxièmement, une nouvelle technique de mesure du signal dans l'espace et dans le temps, ainsi qu'une technique d'estimation du spectre dans le domaine des vecteurs d'onde et en fréquence sont proposées. La technique proposée permet de caractériser un grand réseau d'antenne virtuel à partir d'un nombre limité d'éléments d'antenne en déplaçant les éléments d'antenne le long d'une trajectoire prédéfinie. Une technique d'étalonnage est également proposée pour estimer le spectre de vecteur d'onde des signaux mesurés. Le compromis de cette technique est une faible précision de l'estimation si l'étalement des angles d'arrivée est trop grande. Les performances d'estimation du spectre sont évaluées par une série de simulations. Troisièmement, une vision globale du phénomène Doppler est présentée du point de vue de la technique de caractérisation proposée. Les spectres de Doppler, provoques par la mobilité des diffuseurs sous différentes distributions de vitesse de diffuseur, sont étudiés en profondeur. Ces résultats s'appliquent au scénario sans fil fixe pour lesquel l'émetteur et le récepteur sont fixes, tandis que les diffuseurs sont mobiles. Les modèles analytiques sont comparés avec les courbes empiriques, extraites d'autres publications dans la littérature, afin de valider la méthode proposée. Les résultats obtenus montrent que notre modèle théorique, pour un distribution exponentielle de vitesse de diffuseur, suit de près les courbes mesurées dans les canaux à variations lentes. En outre, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour les canaux à variations rapides, par exemple, lorsque les voitures en mouvement sont considérées comme des diffuseurs mobiles.

Le paradigme de station de bases distribuée (SDB) est étudié comme remplacement des structures plus rigides de stations de base cellulaire. Dans ce contexte, plusieurs SBD sont réparties afin d'offrir des zones de couverture radio se superposant et ainsi permettre à plusieurs SBD de relayer un même mobile pour lui offrir de la macrodiversité. De plus, les mobiles sont amenés à coopérer pour communiquer sur une même ressource radio afin d'augmenter l'efficacité spectrale par l'utilisation d'une plus grande diversité. L'étude du canal de coopération et macro diversité (de plusieurs mobiles à plusieurs SBD) est abordée afin d'offrir une base à la simulation de ceux-ci et ainsi étudier les interactions et la complexité qui découlent de l'utilisation de ces techniques. Ainsi, un système distribué, de la gestion des connexions (multiples) mobiles à SBD est proposé qui se base sur le concept d'agents multiples. Il est démontré que ceux-ci permet tent l'existence de schémas de connexion dynamiques qui s'auto-organisent. L'étude de l'interférence est ensuite abordée, et un deuxième système d'agents multiples est proposé pour la gestion de l'allocation des canaux. Enfin, la notion de coopération est abordée d'un point de vue systémique, c'est-à-dire en l'étudiant sur le réseau dans son ensemble. Il est montré que la coopération peut être efficace sous certaines conditions et qu'il est possible de gérer cette aptitude supplémentaire simplement avec le recourt d'agents multiples. En fin de compte, l'ensemble des systèmes d'agents proposés et de l'organisation du réseau de SBD permet effectivement d'obtenir des gains appréciables de diversité, d'efficacité spectrale, avec en prime tous les avantages découlant des propriétés distribuées des agents multiples: auto-configuration, adaptabilité, mise à l'échelle, etc.