Satellite constellation design has been a well-studied problem since the beginning of the space age. In recent years new concepts and approaches tried to solve it with fewer satellites whilst guaranteeing coverage to the areas of interest, whether globally or regionally. This thesis introduces a novel approach based on the repeating ground track concept. It then links and converts the constellation design problem to a Set Cover problem. Although it is NP-hard, the Greedy Algorithm is capable to approximate the solution in a polynomial time with a logarithm ratio. An application of the non-symmetric strategy is illustrated with in 36 different scenarios, where altitude, sensor swath and time requirement are varied. In addition to that, a comparison with the Walker constellation on 6 scenarios is analyzed and discussed. In most cases the non-symmetric strategy produces constellations with significantly less satellites required. / Satellitkonstellationsdesign har varit ett väl studerat problem sedan början av rymdåldern. Under de senaste åren har nya koncept och tillvägagångssätt försökt lösa det med färre satelliter samtidigt som de garanterar täckning till intresseområdena, globalt eller regionalt. Detta examensarbete introducerar ett nytt tillvägagångssätt baserat på konceptet med återkommande markspår. Den länkar sedan och konverterar konstellationsdesignproblemet till ett Set Cover-problem. Även om problemet är NP-hårt, är den giriga algoritmen kapabel att approximera lösningen under polynomtid med ett logaritmförhållande. En tillämpning av den icke-symmetriska strategin illustreras med i 36 olika scenarier, där höjd, sensorsvep och tidsbehov varieras. Utöver det analyseras och diskuteras en jämförelse med Walker-konstellationen på 6 scenarier. I de allra flesta fall producerar den icke-symmetriska strategin konstellationer med betydligt färre satelliter.

La traduction statistique vise l’automatisation de la traduction par le biais de modèles statistiques. Dans ce travail, nous relevons un des grands défis du domaine : la recherche (Brown et al., 1993). Les systèmes de traduction statistique de référence, tel Moses (Koehn et al., 2007), effectuent généralement la recherche en explorant l’espace des préfixes par programmation dynamique, une solution coûteuse sur le plan computationnel pour ce problème potentiellement NP-complet (Knight, 1999). Nous postulons qu’une approche par recherche locale (Langlais et al., 2007) peut mener à des solutions tout aussi intéressantes en un temps et un espace mémoire beaucoup moins importants (Russell et Norvig, 2010). De plus, ce type de recherche facilite l’incorporation de modèles globaux qui nécessitent des traductions complètes et permet d’effectuer des modifications sur ces dernières de manière non-continue, deux tâches ardues lors de l’exploration de l’espace des préfixes. Nos expériences nous révèlent que la recherche locale en traduction statistique est une approche viable, s’inscrivant dans l’état de l’art. / Statistical machine translation is a concerted effort towards the automation of the translation process. In the work presented here, we explore one of the major challenges of statistical machine translation: the search step (Brown et al., 1993). State of the art systems such as Moses (Koehn et al., 2007) search by exploring the prefix search space, a computationally costly solution to this potentially NP-complete problem (Knight, 1999). We propose that a local search approach can yield solutions which are qualitatively just as interesting, while keeping memory space and execution time at lower levels (Russell et Norvig, 2010). Furthermore, this type of search facilitates the use of global models for which a complete translation is needed and allows for non-continuous modifications, two tasks made difficult by exploring the prefix search space. The experiments we have conducted reveal that the use of local search during the search step in statistical machine translation is a viable, state of the art approach.

An implementation framework has been developed in this thesis for a well-known APX-hard combinatorial optimization problem known as Block Sorting. The motivation for the study of this problem comes from applications such as computational biology and optical character recognition. While existing Block Sorting research has been theoretically focused on the development and analysis of several approximation algorithms for Block Sorting, little or no work has been carried out thus far on the implementation of the proposed approximation algorithms. The conceptualization of an implementation framework and illustrating its use by experimenting with the existing approximation algorithms will provide means for discovering newer approaches to handling this important problem. As the main contribution, the research in this thesis provides a new greedy algorithm for Block Sorting in which each block move either reduces the number of blocks by two or three blocks, or reduces by one the number of reversals or inversions in the orig- inal permutation. Experimental results for all algorithms are also provided along with a comparison of their performance using the number of block moves and approximation ratios as performance metrics when sorting permutations of a given order, and as the order of permutations is varied. Preliminary results from the experimentation were shared at the 2017 IEEE 17th International Conference on Bioinformatics and Bioengineering (BIBE) [1]. To the best of our knowledge, this is the first work that has been focused on the implementation and experimental performance analysis of any algorithm for Block Sorting. We believe the results presented in this thesis will be useful for researchers and practitioners working in this area.

La traduction statistique vise l’automatisation de la traduction par le biais de modèles statistiques. Dans ce travail, nous relevons un des grands défis du domaine : la recherche (Brown et al., 1993). Les systèmes de traduction statistique de référence, tel Moses (Koehn et al., 2007), effectuent généralement la recherche en explorant l’espace des préfixes par programmation dynamique, une solution coûteuse sur le plan computationnel pour ce problème potentiellement NP-complet (Knight, 1999). Nous postulons qu’une approche par recherche locale (Langlais et al., 2007) peut mener à des solutions tout aussi intéressantes en un temps et un espace mémoire beaucoup moins importants (Russell et Norvig, 2010). De plus, ce type de recherche facilite l’incorporation de modèles globaux qui nécessitent des traductions complètes et permet d’effectuer des modifications sur ces dernières de manière non-continue, deux tâches ardues lors de l’exploration de l’espace des préfixes. Nos expériences nous révèlent que la recherche locale en traduction statistique est une approche viable, s’inscrivant dans l’état de l’art. / Statistical machine translation is a concerted effort towards the automation of the translation process. In the work presented here, we explore one of the major challenges of statistical machine translation: the search step (Brown et al., 1993). State of the art systems such as Moses (Koehn et al., 2007) search by exploring the prefix search space, a computationally costly solution to this potentially NP-complete problem (Knight, 1999). We propose that a local search approach can yield solutions which are qualitatively just as interesting, while keeping memory space and execution time at lower levels (Russell et Norvig, 2010). Furthermore, this type of search facilitates the use of global models for which a complete translation is needed and allows for non-continuous modifications, two tasks made difficult by exploring the prefix search space. The experiments we have conducted reveal that the use of local search during the search step in statistical machine translation is a viable, state of the art approach.

Le but de cette thèse est de modéliser la propagation d’un contaminant au sein d’un réseau d’eau potable muni de capteurs temps réel. Elle comporte les trois axes de développement suivant: la résolution des équations de transport, celle du problème d’identification des sources de contamination et le placement des capteurs.Le transport d’un produit chimique est modélisé dans un réseau d’eau potable par l’équation de transport réaction 1-D avec l’hypothèse de mélange parfait aux noeuds. Il est proposé d’améliorer sa prédiction par l’ajout d’un modèle de mélange imparfait aux jonctions double T et d’un modèle de dispersion prenant en compte un profil de vitesse 3-D et la diffusion radiale. Le premier modèle est créé à l’aide d’un plan d’expériences avec triangulation de Delaunay, de simulations CFD, et de la méthode d’interpolation krigeage. Le second utilise les équations adjointes du problème de transport avec l’ajout de particules évoluant à l’aide d’une marche aléatoire, cette dernière modélisant la diffusion radiale dans la surface droite du tuyau.Le problème d’identification des sources consiste, à l’aide de réponses positives ou négatives à la contamination des noeuds capteurs, à trouver l’origine, le temps d’injection et la durée de la contamination. La résolution de ce problème inverse est faite par la résolution des équations de transport adjointes par formulation backtracking. La méthode donne la liste des sources potentielles ainsi que le classement de celles-ci selon leur probabilité d’être la vraie source de contamination. Elle s’exprime en fonction de combien, en pourcentage, cette source potentielle peut expliquer les réponses positives aux capteurs.Le placement des capteurs est optimisé pour l’identification des sources. L’objectif est la maximisation du potentiel de détection de la véritable source de contamination. Deux résolutions sont testées. La première utilise un algorithme glouton combiné à une méthode de Monte Carlo.La seconde utilise une méthode de recherche locale sur graphe.Finalement les méthodes sont appliquées à un cas test réel avec dans l’ordre : le placement des capteurs, l’identification de la source de contamination et l’estimation de sa propagation. / The aim of this thesis is to model the propagation of a contaminant inside a water distribution network equipped with real time sensors. There are three research directions: the solving of the transport equations, the source identification and the sensor placement. Classical model for transport of a chemical product in a water distribution network isusing 1D-advection-reaction equations with the hypothesis of perfect mixing at junctions. It isproposed to improve the predictions by adding a model of imperfect mixing at double T-junctions and by considering dispersion effect in pipes which takes into account a 3-D velocity profile. The first enhancement is created with the help of a design of experiment based on the Delaunay triangulation, CFD simulations and the interpolation method Kriging. The second one uses the adjoint formulation of the transport equations applied with an algorithm of particle backtracking and a random walk, which models the radial diffusion in the cross-section of a pipe.The source identification problem consists in finding the contamination origin, itsinjection time and its duration from positive and negative responses given by the sensors. The solution to this inverse problem is computed by solving the adjoint transport equations with a backtracking formulation. The method gives a list of potential sources and the ranking of thosemore likely to be the real sources of contamination. It is function of how much, in percentage, they can explain the positive responses of the sensors.The sensor placement is chosen in order to maximize the ranking of the real source of contamination among the potential sources. Two solutions are proposed. The first one uses agreedy algorithm combined with a Monte Carlo method. The second one uses a local search method on graphs. Finally the methods are applied to a real test case in the following order: the sensor placement, the source identification and the estimation of the contamination propagation.

In this thesis we have tackled a few scheduling problems under energy constraint, since the energy issue is becoming crucial, for both economical and environmental reasons. In the first chapter, we exhibit tight bounds on the energy metric of a classical algorithm that minimizes the makespan of independent tasks. In the second chapter, we schedule several independent but concurrent pipelined applications and address problems combining multiple criteria, which are period, latency and energy. We perform an exhaustive complexity study and describe the performance of new heuristics. In the third chapter, we study the replica placement problem in a tree network. We try to minimize the energy consumption in a dynamic frame. After a complexity study, we confirm the quality of our heuristics through a complete set of simulations. In the fourth chapter, we come back to streaming applications, but in the form of series-parallel graphs, and try to map them onto a chip multiprocessor. The design of a polynomial algorithm on a simple problem allows us to derive heuristics on the most general problem, whose NP-completeness has been proven. In the fifth chapter, we study energy bounds of different routing policies in chip multiprocessors, compared to the classical XY routing, and develop new routing heuristics. In the last chapter, we compare the performance of different algorithms of the literature that tackle the problem of mapping DAG applications to minimize the energy consumption.

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés aux problèmes d'ordonnancement et d'optimisation dans des contextes probabilistes. Les contributions de cette thèse se déclinent en deux parties. La première partie est dédiée à l’optimisation de différents mécanismes de tolérance aux pannes pour les machines de très large échelle qui sont sujettes à une probabilité de pannes. La seconde partie est consacrée à l’optimisation du coût d’exécution des arbres d’opérateurs booléens sur des flux de données.Dans la première partie, nous nous sommes intéressés aux problèmes de résilience pour les machines de future génération dites « exascales » (plateformes pouvant effectuer 1018 opérations par secondes).Dans le premier chapitre, nous présentons l’état de l’art des mécanismes les plus utilisés dans la tolérance aux pannes et des résultats généraux liés à la résilience.Dans le second chapitre, nous étudions un modèle d’évaluation des protocoles de sauvegarde de points de reprise (checkpoints) et de redémarrage. Le modèle proposé est suffisamment générique pour contenir les situations extrêmes: d’un côté le checkpoint coordonné, et de l’autre toute une famille de stratégies non-Coordonnées. Nous avons proposé une analyse détaillée de plusieurs scénarios, incluant certaines des plateformes de calcul existantes les plus puissantes, ainsi que des anticipations sur les futures plateformes exascales.Dans les troisième, quatrième et cinquième chapitres, nous étudions l'utilisation conjointe de différents mécanismes de tolérance aux pannes (réplication, prédiction de pannes et détection d'erreurs silencieuses) avec le mécanisme traditionnel de checkpoints et de redémarrage. Nous avons évalué plusieurs modèles au moyen de simulations. Nos résultats montrent que ces modèles sont bénéfiques pour un ensemble de modèles d'applications dans le cadre des futures plateformes exascales.Dans la seconde partie de la thèse, nous étudions le problème de la minimisation du coût de récupération des données par des applications lors du traitement d’une requête exprimée sous forme d'arbres d'opérateurs booléens appliqués à des prédicats sur des flux de données de senseurs. Le problème est de déterminer l'ordre dans lequel les prédicats doivent être évalués afin de minimiser l'espérance du coût du traitement de la requête. Dans le sixième chapitre, nous présentons l'état de l'art de la seconde partie et dans le septième chapitre, nous étudions le problème pour les requêtes exprimées sous forme normale disjonctive. Nous considérons le cas plus général où chaque flux peut apparaître dans plusieurs prédicats et nous étudions deux modèles, le modèle où chaque prédicat peut accéder à un seul flux et le modèle où chaque prédicat peut accéder à plusieurs flux. / In this thesis, we are interested in scheduling and optimization problems in probabilistic contexts. The contributions of this thesis come in two parts. The first part is dedicated to the optimization of different fault-Tolerance mechanisms for very large scale machines that are subject to a probability of failure and the second part is devoted to the optimization of the expected sensor data acquisition cost when evaluating a query expressed as a tree of disjunctive Boolean operators applied to Boolean predicates. In the first chapter, we present the related work of the first part and then we introduce some new general results that are useful for resilience on exascale systems.In the second chapter, we study a unified model for several well-Known checkpoint/restart protocols. The proposed model is generic enough to encompass both extremes of the checkpoint/restart space, from coordinated approaches to a variety of uncoordinated checkpoint strategies. We propose a detailed analysis of several scenarios, including some of the most powerful currently available HPC platforms, as well as anticipated exascale designs.In the third, fourth, and fifth chapters, we study the combination of different fault tolerant mechanisms (replication, fault prediction and detection of silent errors) with the traditional checkpoint/restart mechanism. We evaluated several models using simulations. Our results show that these models are useful for a set of models of applications in the context of future exascale systems.In the second part of the thesis, we study the problem of minimizing the expected sensor data acquisition cost when evaluating a query expressed as a tree of disjunctive Boolean operators applied to Boolean predicates. The problem is to determine the order in which predicates should be evaluated so as to shortcut part of the query evaluation and minimize the expected cost.In the sixth chapter, we present the related work of the second part and in the seventh chapter, we study the problem for queries expressed as a disjunctive normal form. We consider the more general case where each data stream can appear in multiple predicates and we consider two models, the model where each predicate can access a single stream and the model where each predicate can access multiple streams.

The doctoral thesis deals with spectrum sensing and subsequent use of the frequency spectrum by multicarrier communication system, which parameters are set on the basis of the optimization technique. Adaptation settings can be made with respect to several requirements as well as state and occupancy of individual communication channels. The system, which is characterized above is often referred as cognitive radio. Equipments operating on cognitive radio principles will be widely used in the near future, because of frequency spectrum limitation. One of the main contributions of the work is the novel usage of the Kolmogorov – Smirnov statistical test as an alternative detection of primary user signal presence. The new fitness function for Particle Swarm Optimization (PSO) has been introduced and the Error Vector Magnitude (EVM) parameter has been used in the adaptive greedy algorithm and PSO optimization. The dissertation thesis also incorporates information about the reliability of the frequency spectrum sensing in the modified greedy algorithm. The proposed methods are verified by the simulations and the frequency domain energy detection is implemented on the development board with FPGA.

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à des problèmes d'ordonnancement sous contrainte d'énergie, puisque la réduction de l'énergie est devenue une nécessité, tant sur le plan économique qu'écologique. Dans le premier chapitre, nous exhibons des bornes strictes sur l'énergie d'un algorithme classique qui minimise le temps d'exécution de tâches indépendantes. Dans le second chapitre, nous ordonnançons plusieurs applications chaînées de type « streaming », et nous étudions des problèmes contraignant l'énergie, la période et la latence. Nous effectuons une étude de complexité exhaustive, et décrivons les performances de nouvelles heuristiques. Dans le troisième chapitre, nous étudions le problème de placement de répliques dans un réseau arborescent. Nous nous plaçons dans un cadre dynamique, et nous bornons à minimiser l'énergie. Après une étude de complexité, nous confirmons la qualité de nos heuristiques grâce à un jeu complet de simulations. Dans le quatrième chapitre, nous revenons aux applications « streaming », mais sous forme de graphes série-parallèles, et nous tentons de les placer sur un processeur multi-cœur. La découverte d'un algorithme polynomial sur un problème simple nous permet la conception d'heuristiques sur le problème le plus général dont nous avons établi la NP-complétude. Dans le cinquième chapitre, nous étudions des bornes énergétiques de politiques de routage dans des processeurs multi-cœurs, en comparaison avec le routage classique XY, et développons de nouvheuristiques de routage. Dans le dernier chapitre, nous étudions expérimentalement le placement d'applications sous forme de DAG sur des machines réelles. / In this thesis we have tackled a few scheduling problems under energy constraint, since the energy issue is becoming crucial, for both economical and environmental reasons. In the first chapter, we exhibit tight bounds on the energy metric of a classical algorithm that minimizes the makespan of independent tasks. In the second chapter, we schedule several independent but concurrent pipelined applications and address problems combining multiple criteria, which are period, latency and energy. We perform an exhaustive complexity study and describe the performance of new heuristics. In the third chapter, we study the replica placement problem in a tree network. We try to minimize the energy consumption in a dynamic frame. After a complexity study, we confirm the quality of our heuristics through a complete set of simulations. In the fourth chapter, we come back to streaming applications, but in the form of series-parallel graphs, and try to map them onto a chip multiprocessor. The design of a polynomial algorithm on a simple problem allows us to derive heuristics on the most general problem, whose NP-completeness has been proven. In the fifth chapter, we study energy bounds of different routing policies in chip multiprocessors, compared to the classical XY routing, and develop new routing heuristics. In the last chapter, we compare the performance of different algorithms of the literature that tackle the problem of mapping DAG applications to minimize the energy consumption.