Dans cette thèse, nous nous concentrons sur la conception et l'optimisation de performances inter-couches dans les réseaux maillés radio multi-canal multi-interface. Afin de profiter de l'augmentation de la capacité de ces réseaux, un certain nombre de problèmes doit être résolu. La première contribution de cette thèse est une nouvelle classification et une évaluation formelle des différentes stratégies d'assignation de canaux et d'interfaces. Nous adressons en particulier la connectivité en termes de formation de topologie, densité de connexions et découverte de voisinage. La deuxième contribution présente des algorithmes de broadcast fonctionnant pour n'importe quelle stratégie d'assignation multi-canal multi-interface. Ces algorithmes garantissent qu'un paquet de broadcast est délivré avec une probabilité minimale à tous les voisins. La troisième contribution de cette thèse propose d'évaluer la capacité (débit) obtenue à travers les différentes solutions d'assignation de canaux et d'interfaces. Plus précisément, nous proposons trois formulations de programmation linéaire mixte pour modéliser le routage et les contraintes de partage de bande passante en présence d'interférences. Nous dérivons ensuite des bornes supérieures et inférieures pour deux stratégies MAC différentes. Notre dernière contribution propose de développer une solution de routage inter-couches pour les réseaux maillés multi-canal multi-interface. En particulier, nous proposons une métrique de qualité de lien estimant la bande passante résiduelle d'un lien. Un protocole de routage adapté permet ensuite de trouver les routes offrant le meilleur débit. Toutes nos contributions sont validées par des nombreuses simulations qui démontrent l'efficacité de nos solutions. En résumé, cette thèse fournit une analyse en profondeur des réseaux maillés radio multi-canal multi-interface, ainsi que des lignes directrices pour les concepteurs de réseaux afin de déployer des réseaux performants.

Dans cette thèse, nous nous concentrons sur la conception et l’optimisation de performances inter-couches dans les réseaux maillés radio multi-canal multi-interface. Afin de profiter de l'augmentation de la capacité de ces réseaux, un certain nombre de problèmes doit être résolu. La première contribution de cette thèse est une nouvelle classification et une évaluation formelle des différentes stratégies d’assignation de canaux et d’interfaces. Nous adressons en particulier la connectivité en termes de formation de topologie, densité de connexions et découverte de voisinage. La deuxième contribution présente des algorithmes de broadcast fonctionnant pour n’importe quelle stratégie d’assignation multi-canal multi-interface. Ces algorithmes garantissent qu’un paquet de broadcast est délivré avec une probabilité minimale à tous les voisins. La troisième contribution de cette thèse propose d’évaluer la capacité (débit) obtenue à travers les différentes solutions d’assignation de canaux et d’interfaces. Plus précisément, nous proposons trois formulations de programmation linéaire mixte pour modéliser le routage et les contraintes de partage de bande passante en présence d'interférences. Nous dérivons ensuite des bornes supérieures et inférieures pour deux stratégies MAC différentes. Notre dernière contribution propose de développer une solution de routage inter-couches pour les réseaux maillés multi-canal multi-interface. En particulier, nous proposons une métrique de qualité de lien estimant la bande passante résiduelle d'un lien. Un protocole de routage adapté permet ensuite de trouver les routes offrant le meilleur débit. Toutes nos contributions sont validées par des nombreuses simulations qui démontrent l'efficacité de nos solutions. En résumé, cette thèse fournit une analyse en profondeur des réseaux maillés radio multi-canal multi-interface, ainsi que des lignes directrices pour les concepteurs de réseaux afin de déployer des réseaux performants. / In this PhD thesis, we focus on the design and performance optimization of multi-channel multi-interface wireless mesh networks. To take advantage of the increased capacity in such networks, a number of issues has to be handled properly. The first contribution of this thesis is a novel classification and formal evaluation of different channel and interface assignment strategies. In particular, we focus on connectivity in terms of topology formation, density of connections, and neighbor discovery. Our second contribution presents broadcast algorithms able to handle any of the multi-channel multi-interface assignment strategies. These algorithms guarantee a broadcast packet to be delivered with a minimum probability to all neighbors. The third contribution of this thesis consists in evaluating the network capacity (i.e., throughput) obtained through the different channel and interface assignments schemes. More specifically, we propose three mixed integer linear programming formulations to model the routing and bandwidth sharing constraints in presence of interference. We derive then upper and lower bounds for different MAC strategies. The fourth and last contribution of this thesis is the development of a novel cross-layer routing solution for multi-channel multi-interface mesh networks. In particular, we propose a link-quality aware metric to estimate the residual bandwidth of a link. An on-demand routing protocol selects the routes offering the best throughput. All our contributions are validated through extensive simulations that demonstrate the efficiency of our solutions. In summary, this thesis provide insight into the improvement of multi-channel multi-interface wireless mesh networks, as well as guidelines for network designers in planning efficient deployments.

L'utilisation des canaux multiples améliore significativement les performances globales des réseaux de capteurs sans fil (RCSF) en permettant des transmissions parallèles sur plusieurs canaux. Cependant, la mise en place d’un protocole MAC multi-canal dans un réseau multisauts nécessite une méthode efficace d’allocation des canaux pour permettre une coordination entre les nœuds afin de partager les canaux disponibles. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la conception d’un protocole MAC multi-canal qui répond aux exigences des applications de collecte de données à haut débit dans un réseau multi-saut. Pour ce faire, nous abordons d’abord les principales façons d’utiliser plusieurs canaux pour réaliser le partage du médium. Ensuite, nous proposons un protocole MAC multi-canal, répondant aux exigences des RCSF à haut débit, qui combine les trois techniques TDMA, CSMA et FDMA. En effet, nous utilisons une nouvelle méthode d’allocation des canaux qui permet aux nœuds de choisir le canal de réception le plus convenable dans leurs voisinages jusqu’à 3-sauts d’une façon distribuée afin de minimiser les effets des interférences et des collisions. Enfin, nous évaluons par simulation les performances de notre protocole et nous le comparons à d’autres protocoles proposés dans la littérature. Les résultats obtenus montrent l’efficacité de notre proposition dans les différents scénarios étudiés. / The use of multi-channel significantly improves the overall network performance of wireless sensor networks (WSNs) by allowing parallel transmissions over multiple channels. However, the design of a multi-channel MAC protocol in a multi-hop network requires an efficient channel allocation method that allows the coordination between the nodes in order to share available channels. In this thesis, we focus on the conception of a multi-channel MAC protocol that meets the requirements of high data collection applications in a multi-hop network. In order to achieve this goal, we first present the main techniques to use multiple channels to realize medium access sharing. Then, we propose a multi-channel MAC protocol that meets the requirements of high data rate WSNs, which combines three techniques TDMA, FDMA and CSMA. Indeed, we use a new channel assignment method that enables nodes to choose the most convenient channel in their 3-hop neighborhood in a distributed manner in order to minimize the effects of interferences and collisions. Finally, we evaluate by simulation the performance of our protocol and we compare it to other protocols proposed in the literature. The results show the efficiency of our proposition in the different studied scenarios.

L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est la technique d'imagerie médicale de référence pour sonder in vivo et non invasivement les tissus mous du corps humain, en particulier le cerveau.L'amélioration de la résolution de l'IRM en un temps d'acquisition standard (400µm isotrope en 15 minutes) permettrait aux médecins d'améliorer considérablement leur diagnostic et le suivi des patients. Cependant, le temps d'acquisition en IRM reste long. Pour réduire ce temps, la récente théorie de l'échantillonnage comprimée (EC) a révolutionné la façon d'acquérir des données dans plusieurs domaines dont l'IRM en surmontant le théorème de Shannon-Nyquist. Avec l'EC, les données peuvent alors être massivement sous-échantillonnées tout en assurant des conditions optimales de reconstruction des images.Dans ce contexte, les thèses de doctorat précédemment soutenue au sein du laboratoire ont été consacrées à la conception et à la mise en oeuvre de scénarios d'acquisition physiquement plausibles pour accélérer l'acquisitions. Un nouvel algorithme d'optimisation pour la conception de trajectoire non cartésienne avancée appelée SPARKLING pour Spreading Projection Algorithm for Rapid K-space samplING en est né. Les trajectoires SPARKLING générées ont conduit à des facteurs d'accélération allant jusqu'à 20 en 2D et 70 pour les acquisitions 3D sur des images à haute résolution pondérées en T*₂ acquises à 7 Tesla. Ces accélérations n'étaient accessibles que grâce au rapport signal/bruit d'entrée élevé fourni par l'utilisation de bobines de réception multi-canaux (IRMp). Cependant, ces résultats ont été obtenus au détriment d'une reconstruction longue et complexe. Dans cette thèse, l'objectif est de proposer une nouvelle approche de reconstruction en ligne d'images acquies par IRMp non cartésiennes. Pour atteindre cet objectif, nous nous appuyons sur une approche en ligne où reconstruction et acquisition s'entremèlent. Par conséquent, la reconstruction débute avant la fin de l'acquisition et un résultat partiel est délivré au cours de l'examen. L'ensemble du pipeline est compatible avec une implémentation réelle à travers l'interface Gadgetron pour produire les images reconstruites à la console du scanner.Ainsi, après avoir exposé la théorie de l'échantillonage comprimé, nous présentons l'état de l'art de la méthode dédiée à la reconstruction en imagerie multi-canaux. En particulier, nous nous concentrerons d'abord sur les méthodes d'autocalibration qui présentent l'avantage d'être adaptées à l'échantillonnage non cartésien et nous proposons une méthode simple mais efficace pour estimer le profil de sensibilité des différents cannaux. Cependant, en raison de leur dépendance au profil de sensibilité, ces méthodes ne sont pas adapatable à la reconstruction en ligne. Par conséquent, la deuxième partie se concentre sur la suppression des ces profils et celà grâce à l'utilisation de norme mixte promouvant une parcimonie structurée. Ensuite, nous adaptons différentes réularization basées sur la parcimonie structurée pour reconstruire ces images fortement corrélées. Enfin, la méthode retenue sera appliquée à l'imagerie en ligne. / Magnetic resonance imaging (MRI) is the reference medical imaging technique for probing in vivo and non-invasively soft tissues in the human body, notably the brain. MR image resolution improvement in a standard scanning time (e.g., 400µm isotropic in 15 min) would allow medical doctors to significantly improve both their diagnosis and patients' follow-up. However the scanning time in MRI remains long, especially in the high resolution context. To reduce this time, the recent Compressed Sensing (CS) theory has revolutionized the way of acquiring data in several fields including MRI by overcoming the Shannon-Nyquist theorem. Using CS, data can then be massively under-sampled while ensuring conditions for optimal image recovery.In this context, previous Ph.D. thesis in the laboratory were dedicated to the design and implementation of physically plausible acquisition scenarios to accelerate the scan. Those projects deliver new optimization algorithm for the design of advanced non-Cartesian trajectory called SPARKLING: Spreading Projection Algorithm for Rapid K-space samplING. The generated SPARKLING trajectories led to acceleration factors up to 20 in 2D and 60 for 3D-acquisitions on highly resolved T₂* weighted images acquired at 7~Tesla.Those accelerations were only accessible thanks to the high input Signal-to-Noise Ratio delivered by the usage of multi-channel reception coils. However, those results are coming at a price of long and complex reconstruction.In this thesis, the objective is to propose an online approach for non-Cartesian multi-channel MR image reconstruction. To achieve this goal we rely on an online approach where the reconstruction starts from incomplete data.Hence acquisition and reconstruction are interleaved, and partial feedback is given during the scan. After exposing the Compressed Sensing theory, we present state-of the art method dedicated to multi-channel coil reconstruction. In particular, we will first focus on self-calibrating methods that presents the advantage to be adapted to non-Cartesian sampling and we propose a simple yet efficient method to estimate the coil sensitivity profile.However, owing to its dependence to user-defined parameters, this two-step approach (extraction of sensitivity maps and then image reconstruction) is not compatible with the timing constraints associated with online reconstruction. Then we studied the case of calibration-less reconstruction methods and splits them into two categories, the k-space based and the domain-based. While the k-space calibration-less method are sub-optimal for non-Cartesian reconstruction, due to the gridding procedure, we will retain the domain-based calibration-less reconstruction and prove theirs for online purposes. Hence in the second part, we first prove the advantage of mixed norm to improve the recovery guarantee in the pMRI setting. Then we studied the impact of structured sparse induced norm on the reconstruction multi-channel purposes, where then and adapt different penalty based on structured sparsity to handle those highly correlated images. Finally, the retained method will be applied to online purposes. The entire pipeline, is compatible with an implementation through the Gadgetron pipeline to deliver the reconstruction at the scanner console.

Le développement dans les micros systèmes électromécaniques (MEMS) combiné avec l'émergence des nouvelles technologies de l'information et de la communication a permis l'intégration des fonctionnalités de collecte, de traitement et de transmission des données dans un seul dispositif minuscule qui est le capteur sans fil. En voie de conséquence, les réseaux composés de ces capteurs offrent aujourd'hui une pléiade d'avantages par rapport aux réseaux traditionnels notamment en termes de simplicité et de coût de déploiement. Ceci a conduit au développement d'une gamme très variée d'applications des réseaux de capteurs sans fil dans les domaines de la santé, de l'environnement, de l'industrie, des infrastructures, des activités spatiales, ou encore des activités militaires et dans plusieurs autres domaines. Cependant, de nouveaux défis surgissent des caractéristiques particulières de ces réseaux. En réalité, de nombreuses applications de ces réseaux sont critiques et exigent qu'un fonctionnement correct du réseau soit maintenu le plus longtemps possible. Par contre, les environnements dans lesquels ces réseaux sont déployés rendent la mission de maintien en condition correcte de ces réseaux très compliquée et même parfois impossible ; d'où la nécessité d'intégrer des mécanismes d'auto-correction qui visent à surmonter les problèmes qui puissent surgir dans le réseau sans intervention humaine. Dans ce contexte, nous avons, dans cette thèse, concentré notre étude sur les techniques et les mécanismes mis en œuvre pour améliorer la propriété de tolérance aux pannes dans les réseaux de capteurs sans fil. Tout d'abord, nous avons proposé des approches centralisées et distribuées pour l'auto-rétablissement de la connectivité et la réallocation des canaux dans un contexte de réseaux de capteurs sans fil reposant sur des communications multi-canal après la panne d'un nœud critique. Après la formulation du problème sous la forme d'un problème d'optimisation multi-objectif, nous avons proposé des algorithmes basés sur des heuristiques de coloration de graphes et d'arbre de Steiner, très connus dans la théorie de graphes pour la résolution de ce type de problèmes. Dans une deuxième partie de cette thèse, nous avons étudié un cas d'application particulier, l'agriculture de précision, et avons proposé une solution distribuée pour le rétablissement du fonctionnement du réseau de capteurs sans fil / The development in Micro Electro-Mechanic Systems (MEMS) combined with the emergence of new information and communication technologies allowed the integration of the data sensing, processing and transmission in a single tiny device which is the wireless sensor. Consequently, the networks formed by these sensors offer a lot advantages compared with the traditional networks, in particular in terms of the deployment simplicity and cost. This led to the development of a wide range of Wireless Sensor Networks' applications in the domains of health, environment, industry, infrastructures, spatial activities, or even military activities and in many other domains. However, new challenges appear from the particular characteristics of these networks. In fact, many applications of this type of networks are critical and require that the correct functioning of the network is maintained as long as possible. However, the environments in which these networks are deployed return the mission of network maintenance very complicated or even impossible; hence, the necessity of integrating mechanisms of self-correction which aim to overcome the appeared problems without a human intervention. In this context, we focused our study on the techniques and mechanisms implemented to improve the property of fault tolerance in the wireless sensor networks. First, we proposed centralized and distributed approaches for the connectivity restoration and the channel reallocation in a multi-channel communication context after the failure of a critical node. After the formulation of the problem as a multi-objective optimization problem, we proposed some algorithms based on the heuristics of graphs coloring and Steiner tree, very known in the graph theory to solve this type of problems. In a second part in this thesis, we studied a particular application case, precision agriculture, and we proposed a distributed solution for the failure recovery in wireless sensor networks

Ce travail de thèse traite du développement d’une antenne microphonique compacte et d’une chaîne de traitement du signal dédiée, pour la reconnaissance et la localisation angulaire de cibles aériennes. L’approche globale proposée consiste en une détection initiale de cible potentielle, la localisation et le suivi de la cible, et une détection affinée par un filtrage spatial adaptatif informé par la localisation de la cible. Un algorithme original de localisation goniométrique est proposé. Il utilise l’algorithme RANSAC sur des données pression-vitesse large bande [100 Hz - 10 kHz], estimées en temps réel, dans le domaine temporel, par des différences et sommes finies avec des doublets de microphones à espacements inter-microphoniques adaptés à la fréquence. L’extension de la bande passante de l’antenne en hautes fréquences est rendue possible par l’utilisation de différences finies d’ordre élevé, ou de variantes de la méthode PAGE (Phase and Amplitude Gradient Estimation) adaptées à l’antenne développée. L’antenne acoustique compacte ainsi développée utilise 32 microphones MEMS numériques répartis dans le plan horizontal sur une zone de 7.5 centimètres, selon une géométrie d’antenne adaptée aux l’algorithmes de localisation et de filtrage spatial employés. Des essais expérimentaux de localisation et de suivi de trajectoire contrôlée par une sphère de spatialisation dans le domaine ambisonique ont montré une erreur de localisation moyenne de 4 degrés. Une base de données de signatures acoustiques de drones en vol a été créée, avec connaissance de la position du drone par rapport à l’antenne microphonique apportée par des mesures GPS. L’augmentation des données par bruitage artificiel, et la sélection dedescripteurs acoustiques par des algorithmes évolutionnistes, ont permis de détecter un drone inconnu dans un environnement sonore inconnu jusqu’à 200 mètres avec le classifieur JRip. Afin de faciliter la détection et d’en augmenter la portée, l’étape de détection initiale est précédée d’une formation de voies différentielle dans 4 directions principales (nord, sud, est, ouest), et l’étape de détection affinée est précédée d’une formation de voies de Capon informée par la localisation et le suivi de la cible à identifier. / This thesis deals with the development of a compact microphone array and a dedicated signal processing chain for aerialtarget recognition and direction of arrival (DOA) estimation. The suggested global approach consists in an initial detection ofa potential target, followed by a DOA estimation and tracking process, along with a refined detection, facilitated by adaptivespatial filtering. An original DOA estimation algorithm is proposed. It uses the RANSAC algorithm on real-time time-domainbroadband [100 Hz - 10 kHz] pressure and particle velocity data which are estimated using finite differences and sums ofsignals of microphone pairs with frequency-dependent inter-microphone spacings. The use of higher order finite differences, or variants of the Phase and Amplitude Gradient Estimation (PAGE) method adapted to the designed antenna, can extend its bandwidth at high frequencies. The designed compact microphone array uses 32 digital MEMS microphones, horizontally disposed over an area of 7.5 centimeters. This array geometry is suitable to the implemented algorithms for DOA estimation and spatial filtering. DOA estimation and tracking of a trajectory controlled by a spatialization sphere in the Ambisonic domain have shown an average DOA estimation error of 4 degrees. A database of flying drones acoustic signatures has been set up, with the knowledge of the drone’s position in relation to the microphone array set out by GPS measurements. Adding artificial noise to the data, and selecting acoustic features with evolutionary programming have enabled the detection of an unknown drone in an unknown soundscape within 200 meters with the JRip classifier. In order to facilitate the detection and extend its range, the initial detection stage is preceded by differential beamforming in four main directions (north, south, east, west), and the refined detection stage is preceded by MVDR beamforming informed by the target’s DOA.

Le phénomène du cocktail party fait référence à notre remarquable capacité à nous concentrer sur une seule voix dans des environnements bruyants. Dans cette thèse, nous concevons, implémentons et évaluons une approche computationnelle nommée GCC-NMF pour résoudre ce problème. GCC-NMF combine l’apprentissage automatique non supervisé par la factorisation matricielle non négative (NMF) avec la méthode de localisation spatiale à corrélation croisée généralisée (GCC). Les atomes du dictionnaire NMF sont attribués au locuteur cible ou à l’interférence à chaque instant en fonction de leurs emplacements spatiaux estimés. Nous commençons par étudier GCC-NMF dans le contexte hors ligne, où des mélanges de 10 secondes sont traités à la fois. Nous développons ensuite une variante temps réel de GCC-NMF et réduisons par la suite sa latence algorithmique inhérente de 64 ms à 2 ms avec une méthode asymétrique de transformée de Fourier de courte durée (STFT). Nous montrons que des latences aussi faibles que 6 ms, dans la plage des délais tolérables pour les aides auditives, sont possibles sur les plateformes embarquées actuelles. Nous évaluons la performance de GCC-NMF sur des données publiquement disponibles de la campagne d’évaluation de séparation des signaux SiSEC. La qualité de séparation objective est quantifiée avec les méthodes PEASS, estimant les évaluations subjectives humaines, ainsi que BSS Eval basée sur le rapport signal sur bruit (SNR) traditionnel. Bien que GCC-NMF hors ligne ait moins bien performé que d’autres méthodes du défi SiSEC en termes de métriques SNR, ses scores PEASS sont comparables aux meilleurs résultats. Dans le cas de GCC-NMF en ligne, alors que les métriques basées sur le SNR favorisent à nouveau d’autres méthodes, GCC-NMF surpasse toutes les approches précédentes sauf une en termes de scores PEASS globaux, obtenant des résultats comparables au masque binaire idéale. Nous montrons que GCC-NMF augmente la qualité objective et les métriques d’intelligibilité STOI et ESTOI sur une large gamme de SNR d’entrée de -30 à 20 dB, avec seulement des réductions mineures pour les SNR d’entrée supérieurs à 20 dB. GCC-NMF présente plusieurs caractéristiques souhaitables lorsqu’on le compare aux approches existantes. Contrairement aux méthodes d’analyse de scène auditive computationnelle (CASA), GCC-NMF ne nécessite aucune connaissance préalable sur la nature des signaux d’entrée et pourrait donc convenir aux applications de séparation et de débruitage de source dans un grand nombre de domaines. Dans le cas de GCC-NMF en ligne, seule une petite quantité de données non étiquetées est nécessaire pour apprendre le dictionnaire NMF. Cela se traduit par une plus grande flexibilité et un apprentissage beaucoup plus rapide par rapport aux approches supervisées, y compris les solutions basées sur NMF et les réseaux neuronaux profonds qui reposent sur de grands ensembles de données étiquetées. Enfin, contrairement aux méthodes de séparation de source aveugle (BSS) qui reposent sur des statistiques de signal accumulées, GCC-NMF fonctionne indépendamment pour chaque trame, ce qui permet des applications en temps réel à faible latence. / Abstract: The cocktail party phenomenon refers to our remarkable ability to focus on a single voice in noisy environments. In this thesis, we design, implement, and evaluate a computational approach to solving this problem named GCC-NMF. GCC-NMF combines unsupervised machine learning via non-negative matrix factorization (NMF) with the generalized cross-correlation (GCC) spatial localization method. Individual NMF dictionary atoms are attributed to the target speaker or background interference at each point in time based on their estimated spatial locations. We begin by studying GCC-NMF in the offline context, where entire 10-second mixtures are treated at once. We then develop an online, instantaneous variant of GCC-NMF and subsequently reduce its inherent algorithmic latency from 64 ms to 2 ms with an asymmetric short-time Fourier transform (STFT) windowing method. We show that latencies as low as 6 ms, within the range of tolerable delays for hearing aids, are possible on current hardware platforms. We evaluate the performance of GCC-NMF on publicly available data from the Signal Separation Evaluation Campaign (SiSEC), where objective separation quality is quantified using the signal-to-noise ratio (SNR)-based BSS Eval and perceptually-motivated PEASS toolboxes. Though offline GCC-NMF underperformed other methods from the SiSEC challenge in terms of the SNR-based metrics, its PEASS scores were comparable with the best results. In the case of online GCC-NMF, while SNR-based metrics again favoured other methods, GCC-NMF outperformed all but one of the previous approaches in terms of overall PEASS scores, achieving comparable results to the ideal binary mask (IBM) baseline. Furthermore, we show that GCC-NMF increases objective speech quality and the STOI and ETOI speech intelligibility metrics over a wide range of input SNRs from -30 dB to 20 dB, with only minor reductions for input SNRs greater than 20 dB. GCC-NMF exhibits a number of desirable characteristics when compared existing approaches. Unlike computational auditory scene analysis (CASA) methods, GCC-NMF requires no prior knowledge about the nature of the input signals, and may thus be suitable for source separation and denoising applications in a wide range of fields. In the case of online GCC-NMF, only a small amount of unlabeled data is required to pre-train the NMF dictionary. This results in much greater flexibility and significantly faster training when compared to supervised approaches including NMF and deep neural network-based solutions that rely on large, supervised datasets. Finally, in contrast with blind source separation (BSS) methods that rely on accumulated signal statistics, GCC-NMF operates independently for each time frame, allowing for low latency, real-time applications.

Dans cette thèse, nous abordons le problème fondamental de l'accès au spectre opportuniste dans un système de communication multi-canal. Plus précisément, nous considérons un système de communication dans lequel un utilisateur a accès à de multiples canaux, tout en étant limité à la détection et la transmission sur un sous-ensemble de canaux. Nous explorons comment l'utilisateur intelligent exploite ses observations passées et les propriétés stochastiques de ces canaux afin de maximiser son débit. Formellement, nous fournissons une analyse générique sur le problème d'accès au spectre opportuniste en nous basant sur le problème de `restless multi-bandit’ (RMAB), l'une des généralisations les plus connues du problème classique de multi-armed bandit (MAB), un problème fondamental dans la théorie de décision stochastique. Malgré les importants efforts de la communauté de recherche dans ce domaine, le problème RMAB dans sa forme générique reste encore ouvert. Jusqu'à aujourd'hui, très peu de résultats sont connus sur la structure de la politique optimale. L'obtention de la politique optimale pour un problème RMAB général est intraçable dû la complexité de calcul exponentiel. Par conséquent, une alternative naturelle est de se focaliser sur la politique myopique qui maximise la récompense à immédiate, tout en ignorant celles du futur. Donc, nous développons trois axiomes caractérisant une famille de fonctions que nous appelons fonctions régulières, qui sont génériques et pratiquement importantes. Nous établissons ensuite l'optimalité de la politique myopique lorsque la fonction de récompense peut être exprimée comme une fonction régulière et le facteur de discount est borné par un seuil déterminé par la fonction de récompense. Nous illustrons également l'application des résultats pour analyser une classe de problèmes RMAB dans l'accès opportuniste. Ensuite, nous étudions un problème plus difficile, où l'utilisateur doit configurer le nombre de canaux à accéder afin de maximiser son utilité (par exemple, le débit). Après avoir montré la complexité exponentielle du problème, nous développons une stratégie heuristique v-step look-ahead. Dans la stratégie développée, le paramètre v permet de parvenir à un compromis souhaité entre l'efficacité sociale et de la complexité de calcul. Nous démontrons les avantages de la stratégie proposée via des simulations numériques sur plusieurs scénarios typiques. / In the thesis, we address the fundamental problem of opportunistic spectrum access in a multi-channel communication system. Specifically, we consider a communication system in which a user has access to multiple channels, but is limited to sensing and transmitting only on one at a given time. We explore how the smart user should exploit past observations and the knowledge of the stochastic properties of these channels to maximize its transmission rate by switching channels opportunistically. Formally, we provide a generic analysis on the opportunistic spectrum access problem by casting the problem into the restless multi-armed bandit (RMAB) problem, one of the most well-known generalizations of the classic multi-armed bandit (MAB) problem, which is of fundamental importance in stochastic decision theory. Despite the significant research efforts in the field, the RMAB problem in its generic form still remains open. Until today, very little result is reported on the structure of the optimal policy. Obtaining the optimal policy for a general RMAB problem is often intractable due to the exponential computation complexity. Hence, a natural alternative is to seek a simple myopic policy maximizing the short-term reward. Therefore, we develop three axioms characterizing a family of functions which we refer to as regular functions, which are generic and practically important. We then establish the optimality of the myopic policy when the reward function can be expressed as a regular function and the discount factor is bounded by a closed-form threshold determined by the reward function. We also illustrate how the derived results, generic in nature, are applied to analyze a class of RMAB problems arising from multi-channel opportunistic access. Next, we further investigate the more challenging problem where the user has to decide the number of channels to sense in each slot in order to maximize its utility (e.g., throughput). After showing the exponential complexity of the problem, we develop a heuristic v-step look-ahead strategy. In the developed strategy, the parameter v allows to achieve a desired tradeoff between social efficiency and computation complexity. We demonstrate the benefits of the proposed strategy via numerical experiments on several typical settings.

[pt] Este trabalho mostra a implantação de técnicas de Controle Estatístico de Processo (CEP) em uma indústria de cosméticos, em uma situação em que as técnicas convencionais não são aplicáveis. O processo a ser controlado é constituído de oito canais, que produzem em um mesmo instante de tempo oito unidades de um mesmo produto. Tal processo possui a peculiaridade de ter médias variáveis no tempo, mesmo em estado de controle estatístico. Como os métodos de controle propostos na literatura para processos com múltiplos canais têm como premissa médias constantes ao longo do tempo e os canais terem médias e variâncias semelhantes, tais métodos não são aplicáveis ao processo em questão. Para o CEP do processo, então, foi desenvolvida uma metodologia adaptada à realidade da empresa, que conjuga os princípios de group charts e de gráficos de controle de aceitação. Foi ainda realizada uma revisão bibliográfica de algumas técnicas de controle estatístico de processos com múltiplos canais, contemplando métodos tradicionais e não tradicionais. / [en] This study shows the implantation of techniques of Statistical Process Control (SPC) in a cosmetics industry, in a situation in which conventional techniques are not applicable. The process to be controlled is composed of eight streams, which produce eight units of the product at a time. The process has the peculiarity that the means of the streams change in time, even in a condition of statistical control. The control schemes proposed in the literature hitherto for multiple-stream processes assume constant means, and streams with similar means and variance, and are therefore not applicable to this process. A new scheme was then developed for the statistical control of the process, which blends the principles of the group charts and of acceptance control charts. A review was also presented of some techniques of statistical control of multiple-stream processes, including traditional and more recent methods.

L’émergence de l’Internet des Objets révolutionne les réseaux locaux sans fil et inspirent de nombreuses applications. L’une des problématiques majeures pour les réseaux locaux sans fil est l’accès et le partage du médium radio sans fil. Plusieurs protocoles MAC mono-canal ont été proposés et abordent cette problématique avec des solutions intéressantes. Néanmoins, certains problèmes majeurs liés à l’accès au canal (nœud caché, synchronisation, propagation des RDV…) pour un contexte de transmission multi-saut, persistent encore et font toujours l’objet d’intenses études de la communauté scientifique, surtout lorsqu’il s’agit de réseaux de capteurs sans fil distribués sur des topologies étendues. Certains travaux de recherches ont proposé des protocoles MAC multi-canal, traitant souvent le cas idéal, où tous les nœuds dans le réseau sont à portée les uns des autres. Les émissions et réceptions des trames de données sont généralement précédées de trames des contrôles pour l’établissement de Rendez-vous (RDV) entre les nœuds concernés. Nous constatons que les RDV ne garantissent pas la réservation des canaux de façon déterministe sans conflit entre les nœuds dans le réseau, et peuvent rendre difficile les transmissions en multi-saut. Une solution complexe serait de propager ces RDV vers les voisins du nœud récepteur au-delà de 2 sauts. C’est face à cette complexité de gestion de RDV multi-sauts que s’inscrit notre contribution. Il s’agit pour nous de proposer une méthode d’accès multi-canal aléatoire sans RDV, en topologie multi-saut. Notre solution est implémentée sur un testbedréel constitué de nœuds WiNo mono-interface, elle est basée sur la méthode ALOHA slottée améliorée pour notre contexte multi-canal, dont nous évaluons les performances qui sont comparées au cas mono-canal. Un modèle analytique lié au contexte multi-canal sans RDV a été développé également, et comparé aux résultats de notre testbed. / The emergence of the Internet of Thingsrevolutionizeswireless local area networks and inspiringnumerous applications. One of the main issues for wirelessLANsis the access and sharing of the wireless radio medium. Several single-channel MAC protocols have been proposed and addressthis issue withinteresting solutions. However, some major problemsrelated to the channelaccess (hiddennode, synchronization, propagation of RDV) for a multi-hop transmission context, persist and are still the subject of intensive studies by the scientificcommunity, especiallywhenitcomes to a distributedwirelesssensors networks over extended topologies. Someresearch has proposed multi-channel MAC protocols, oftenaddressingthe ideal case, where all nodes in the network are within range of eachother. The transmissions and receptions of the data frames aregenerallypreceded by controls frames for the establishment of Rendez-Vous (RDV) among the nodesconcerned. Wefindthat the RDVs do not guarantee the channelsreservation in a deterministicwaywithoutconflictamong the nodes in the network, and maymakeitdifficult the multi-hop transmissions. A complex solution wouldbe to propagatetheseRDVs to the neighbors of the receivernodebeyond 2 hops. Facedwiththiscomplexity of multi-hop RDV management thatmakesour contribution. It is important for us to propose arandom multi-channelaccessmethodwithout RDV, in multi-hop topology. Our solution isimplemented on a real testbed made of multi-channel single-interface “WiNo” nodes, of whichweevaluate the performance that are compared to the single-channel case. An analytical model related to the multi-channelcontextwithout RDV wasalsodeveloped, and compared to the results of ourtestbed.