L'utilisation de la radio flexible permet d'envisager des réseaux sans fil évolutifs, plus efficaces et plus intelligents. Le terme «~radio flexible~» est un terme très général, qui peut s'appliquer à une implanta- tion logicielle des opérations, à une implantation matérielle adaptable basée sur des accélérateurs matériels, ou encore à des implantations mixtes. Il regroupe en fait toutes les implantations de terminaux radio qui ne sont pas figées. Les travaux réalisés durant cette thèse tournent autour de deux points. Le premier est l'utilisation des processeurs graphiques pour la radio flexible, et plus particulièrement pour la radio logicielle. Ces cibles offrent des performances impressionnantes en termes de débit brut de calcul, en se basant sur architecture massivement parallèle. Le parallélisme de données utilisé dans ces processeurs diffère cependant du parallélisme de tâches souvent exploitées dans les applications de radio logicielle. Différentes approches pour résoudre ce problème sont étudiées. Les résultats obtenus sur ce point permettent une nette amélioration du débit de calcul atteignable avec une implantation logicielle, tout en libérant le processeur pour d'autres tâches. Le deuxième point abordé dans cette étude concerne la définition d'un environnement perme- ttant de supporter différentes possibilités d'implantation de la radio flexible. Cet environnement englobe le support de la plateforme hétérogène, et la gestion des applications sur ces plateformes. Bien qu'encore expérimental, les premiers résultats obtenus avec l'environnement montrent ses capacités d'adaptation, et le rendent utilisable pour des applications radio variées sur des plateformes hétérogènes. / The development of flexible radio leads to evolving wireless networks. This character- istic enables more efficient and smarter networks. Flexible radio is not a precise definition. It can be used to describe a software implementation of radio operations, as well as a hardware implementation based on configurable hardware coprocessors. It can also refer to heterogeneous implementations. It describes any implementation which can evolve. During this PhD, we focused on two different aspects of flexible radio. First, the use of graphi- cal processors for flexible radio (and especially software radio) is studied. These execution targets enable impressive performances, when studying raw attainable processing throughput, through the use of massively parallel architectures. The problem is that the data parallelism exhibited by these processors does not match the task parallelism of software radio applications. Different approaches to correct this mismatch are studied in this work. The displayed results show an improvement in the at- tainable software implementation, while letting the processor process other tasks. The other issue addressed in this work is the definition of an environment able to support dif- ferent implementation choices for flexible radio. Support for multiple implementations includes heterogeneous platforms support, as well as application management on these platforms. While this environment is still in early development stage, preliminary results demonstrate its adaptabil ity, and eases development of applications on different heterogeneous platforms.

Les contraintes présentes dans les réseaux de capteurs impliquent l'introduction de techniques d'optimisation à différents niveaux de conception : du matériel au logiciel et dans la pile de communication. En effet, le déploiement des réseaux de capteurs, à faible consommation énergétique, exige une conception conjointe du matériel et du logiciel adaptée à l'application visée. Étant donné la nature évènementielle et multitâche des applications dans les réseaux de capteurs, nous pourrions penser à rajouter différentes unités de traitement qui coopèrent pour gérer les évènements et les tâches de manière optimale. Ainsi, la complexité des tâches accomplies par le processeur principal peut être réduite, ce qui contribue à atteindre l'efficacité énergétique. Dans cette thèse nous étudions un ensemble de protocoles qui facilitent l'implémentation des smart radios. L'idée principale des smart radios est l'introduction de l'intelligence dans la puce radio de manière à ce qu'elle soit capable de prendre des décisions ainsi que d'exécuter plusieurs tâches de manière autonome et sans l'intervention du processeur principal. Cette dernière sera responsable du bootstrap du réseau et, après qu'un état stable est atteint, le processeur peut rester inactif la plupart du temps, alors que la puce radio continue à fournir un ensemble de services. Le protocole proposé est appelé Wake on Idle et il fournit la maintenance de voisinage intégrée avec une méthode d'accès au canal. Ces services sont basés sur des transmissions analogiques qui sont codées dans le temps. De cette manière, dès que le réseau entre dans l'état stable (c.à.d. la topologie est formée et les noeuds sont associés et synchronisés), le traitement numérique de trames n'est pas nécessaire. Puisque Wake on Idle est basé sur des informations de bas niveau, il peut être facilement intégré dans la puce radio et fonctionner comme un coprocesseur qui fournit des services de haut niveau au processeur principal, comme la maintenance du voisinage et l'accès au canal. Grâce à une analyse théorique et une implémentation préliminaire, nous démontrons la faisabilité du protocole et nous montrons plusieurs caractéristiques intéressantes qui aident à atteindre l'efficacité énergétique et de bonnes performances. Ensuite, nous exploitons la signalisation analogique afin d'optimiser le duty-cycle des protocoles d'accès au canal existants. Nous proposons également un mécanisme appelé Sleep on Idle qui est basé sur l'échange de signaux analogiques ou busy tones. Sleep on Idle peut être intégré dans la radio et il peut décider quand le processeur doit être réveillé. Enfin, nous avons intégré le mécanisme de notification dans le standard IEEE802.15.4 et nous avons évalué ce mécanisme par des simulations et expérimentations. Les résultats montrent un gain important en termes de consommation en énergie et de réactivité du réseau. / The constraints of Wireless Sensor Networks scenarios require the introduction of optimization techniques at different design levels: from the hardware to the software and communication protocol stack. In fact, the design of energy efficient WSNs involves an appropriate hardware/software co-design oriented to the concerned application. Given the event driven and multitasking nature of WSNs applications, one could think of adding different processing units that cooperate to manage events and tasks in an optimal way. Then, the complexity of tasks performed by the main processing unit can be reduced and energy efficiency can be achieved. In this PhD thesis we study protocols that leverage the implementation of smart radios. The idea of smart radios is introducing intelligence into the radio chip; in this way, it will be able to take decisions and perform several tasks in an autonomous way and without any intervention of the main processing unit. The processing unit will be in charge of bootstrapping the network and, after a stable state is reached, it can remain inactive most of the time while the radio chip provides a given set of services. The proposed protocol is called Wake on Idle and it provides integrated neighborhood maintenance and low duty-cycle medium access control. These services are provided based on analog transmissions that are time encoded; then, as soon as the network enters the stable state (i.e. the topology is formed and nodes are associated and synchronized) digital processing of frames is not needed. Since it relies on low-level information, Wake on Idle can be easily implemented on hardware and integrated into the radio chip; then, it works as a coprocessor that provides high-level services (i.e. neighborhood maintenance and medium access) to the main processing unit. Through theoretical analysis and a preliminary implementation we demonstrate the feasibility of the protocol and we show several interesting characteristics that help achieving energy efficiency and good performance. Then, we further exploit analog signaling to optimize duty cycle of existing medium access control protocols. We propose a mechanism called Sleep on Idle and it is based on the exchange of analog busy tones. Sleep on Idle can also be integrated into the smart radio to take decisions about whether the main processing unit has to be woken up. We apply the decision mechanism to the slotted ieee802.15.4 standard and validate it through simulations and experimentations. The results show an important gain in terms of energy consumption and network reactivity.

Le medium sans fil est une ressource partagée et limitée. Les normes sans fil actuelles partagent toujours le principe de partage du medium Half-Duplex: la transmission et la réception de signaux sont effectuées dans deux intervalles de temps distincts ou deux bandes de fréquences différentes. En outre, l'émetteur-récepteur ne peut émettre et recevoir qu’un signal à la fois. Cette thèse suit une autre approche: au lieu de partager le support avec le principe de Half-Duplex, toute la bande de fréquence autorisée est partagé pour la transmission et la réception simultanée, approche qui est appelée Full-Duplex. Dès lors, on peut concevoir une architecture d'un émetteur-récepteur radio flexible à large bande pour traiter deux types de signaux différents à la fois. Pour approcher cet objectif, nous utilisons une méthode de suppression active analogique de l’auto-interférence (AARFSIC) et l'annulation active numérique d'auto interférence dans le domaine temporel (ADSICT) pour annuler la forte auto-interférence (SI) induite par le principe Full-Duplex. Basé sur la radio Full-Duplex, nous proposons un système flexible Dual-Band (FDDB) émetteur-récepteur radio OFDM-Full Duplex en la combinant avec un front-end RF double bande. S'appuyant sur ces principes, nous exposons trois contributions principales: Nous présentons une technique d’annulation analogique de l’auto-interférence (ASIC), qui peut annuler complètement l’auto-interférence à trajet direct ou multi-trajets, basée sur la combinaison des méthodes AARFSIC et DSICT. Ensuite, nous présentons la conception et l'évaluation d'une radio OFDM Full-Duplex, y compris l'analyse et la qualification de l'impact du bruit thermique et du bruit de phase sur les performances du système. Enfin, nous développons une radio dual-bande FDDB OFDM qui peut fonctionner sur deux fragments de spectre séparés. Afin d'éliminer l'impact du déséquilibre I/Q sur la radio FDDB, une méthode d’estimation des déséquilibres I/Q et de compensation, simple mais efficace, est présentée. La simulation au niveau système menée avec ADS et Matlab montre que cette méthode peut effectivement compenser des déséquilibres I/Q aussi bien élevés que faibles. / The wireless medium is a shared and limited resource. Current wireless standards always share the medium with Half-Duplex principle: the transmission and reception of signals are done in two separate time slots or two different frequency bands. Besides, the transceiver can only transmit and receive one signal at a time. This dissertation takes an alternate approach: Instead of sharing the medium with Half-Duplex principle, the entire licensed frequency band is shared for simultaneous transmission and reception, which we call Full-Duplex. Besides, the design concept for a wideband flexible radio transceiver can process two different types of signals at a time. To approach this goal, we use an active analog radio frequency self-interference cancellation (AARFSIC) method or a combination scheme of the AARFSIC and active digital self interference cancellation in time domain (ADSICT) to cancel the strong self-interference (SI) induced by the Full-Duplex principle. Based on the Full-Duplex radio, we propose a flexible Full-Duplex Dual-Band (FDDB) OFDM radio transceiver by combining it with a Dual-Band RF front-end. Building on these, we make three main contributions: We present an active self-interference cancellation (ASIC) scheme, which can cancel both the strong one-path and multi-path SI completely, based on the combination of the AARFSIC and DSICT. Next, we introduce the design and evaluation of a Full-Duplex OFDM radio, including the analysis and qualification of the impact of the thermal noise and phase noise on the system performance. Finally, we develop a FDDB OFDM radio that can work on two separate spectrum fragments. In order to eliminate the impact of the I/Q imbalance on the FDDB radio, a simple but practical digital I/Q imbalance estimation and compensation method is presented. The system level simulation conducted with ADS and Matlab software shows that this method can effectively compensate both high and low I/Q imbalance.