Mes travaux s'inscrivent dans le cadre général de la modélisation en pharmacologie. Je m'intéresse à la modélisation de relations entre les doses administrées, les concentrations observées et les effets, bénéfiques ou indésirables, de molécules administrées dans un organisme, afin d'expliquer et prédire l'action des médicaments. Cette discipline joue un rôle grandissant dans le développement de nouveaux médicaments, et fait notamment partie des dossiers d'autorisation de mise sur le marché de toute nouvelle molécule. Mais la modélisation se poursuit bien au-delà lors de la vie du médicament, et la pharmacométrie est encore à l'honneur dans l'analyse des essais cliniques permettant d'explorer de nouvelles populations ou de nouvelles pathologies, dans la surveillance thérapeutique où elle est utilisée pour prédire le meilleur traitement à administrer à un patient, ou dans la pharmacovigilance permettant de surveiller les effets indésirables. Les méthodes statistiques permettant d'analyser les données dans ce contexte reposent principalement sur l'utilisation de modèles à effets mixtes, capables de distinguer un profil moyen d'évolution du système et une variabilité expliquant les différences entre individus. Les modèles utilisés pour décrire le système sont le plus souvent dynamiques (en évolution dans le temps), et non-linéaires dans leurs paramètres. Ces modèles posent donc, comme nous le verrons dans ce travail, de nombreux problèmes méthodologiques. On peut ainsi citer, parmi les questions faisant l'objet à l'heure actuelle de nombreux travaux : les méthodes et algorithmes permettant d'estimer les paramètres de ces modèles ; les stratégies de construction de modèles ; l'évaluation de modèles ; le choix du protocole expérimental et le calcul du nombre de sujets nécessaires ; le traitement de données manquantes ; la nature des données, comme le fait de devoir traiter des données catégorielles ou la combinaison de plusieurs variables d'intérêt dans des modèles à réponses multiples. Cet ouvrage commence par une introduction générale à la pharmacométrie, avec un bref historique et une description des méthodologies utilisées dans cette discipline. Dans ce premier chapitre, je développerai plus en détail les éléments auxquels je me suis particulièrement intéressée. Dans le chapitre suivant, j'exposerai mes travaux en les classant par grandes thématiques. Mes travaux peuvent être regroupés pour la plupart en trois grands thèmes : la modélisation, avec un intérêt particulier pour les données de pharmacogénétique, thème que je développe au travers de collaborations extérieures et du co-encadrement d'une thèse ; l'évaluation de modèles, un sujet sur lequel j'ai co-encadré une thèse et qui continue de faire l'objet de développements auxquels s'intéresse la communauté scientifique ; l'optimisation de protocoles, sujet important au sein de mon unité d'accueil mais pour lequel j'ai également mes propres projets. D'autres projets sont également nés au travers de collaborations diverses. Le troisième chapitre contient les éléments d'appréciation de mon parcours, cursus, intégration dans l'unité et collaborations, ainsi que la liste de publications auxquelles j'ai été associée. Le dernier chapitre du manuscrit donne un bref résumé de 10 articles récents concernant mes trois principales thématiques, et en explicite les messages majeurs ainsi que ma contribution personnelle. Une annexe séparée contient la reproduction de ces 10 articles (non jointe pour des problèmes de copyright).

L'Internet des objets (IoT) est annoncé comme la prochaine grande révolution technologique où des milliards d'appareils s'interconnecteront en utilisant les technologies d’Internet et permettront aux utilisateurs d'interagir avec le monde physique, permettant Smart Home, Smart Cities, tout intelligent. Les réseaux de capteurs sans fil (WSN) sont cruciales pour tourner la vision de l'IoT dans une réalité, mais pour que cela devienne réalité, beaucoup de ces dispositifs doivent être autonomes en énergie. Par conséquent, un défi majeur est de fournir une durée de vie de plusieurs années tout en alimentant les nœuds par batteries ou en utilisant l'énergie récoltée. Bluetooth Low Energy (BLE) a montré une efficacité énergétique et une robustesse supérieures à celles d'autres protocoles WSN bien connus, ce qui fait BLE un candidat solide pour la mise en œuvre dans des scénarios IoT. En outre, BLE est présent dans presque tous les smartphones, ce qui en fait une télécommande universelle omniprésente pour les maisons intelligentes, les bâtiments ou les villes. Néanmoins, l'amélioration de la performance BLE pour les cas typiques d'utilisation de l'IoT, où la durée de vie de la batterie de nombreuses années, est toujours nécessaire.Dans ce travail, nous avons évalué les performances de BLE en termes de latence et de consommation d'énergie sur la base de modèles analytiques afin d'optimiser ses performances et d'obtenir son niveau maximal d'efficacité énergétique sans modification de la spécification en premier lieu. À cette fin, nous avons proposé une classification des scénarios ainsi que des modes de fonctionnement pour chaque scénario. L'efficacité énergétique est atteinte pour chaque mode de fonctionnement en optimisant les paramètres qui sont affectés aux nœuds BLE pendant la phase de découverte du voisin. Cette optimisation des paramètres a été réalisée à partir d'un modèle énergétique extrait de l'état de la technique. Le modèle, à son tour, a été optimisé pour obtenir une latence et une consommation d'énergie quel que soit le comportement des nœuds à différents niveaux: application et communication. Puisqu'un nœud peut être le périphérique central à un niveau, alors qu'il peut être le périphérique à l'autre niveau en même temps, ce qui affecte la performance finale des nœuds.En outre, un nouveau modèle d'estimation de la durée de vie de la batterie a été présenté pour montrer l'impact réel de l'optimisation de la consommation énergétique sur la durée de vie des nœuds, de façon rapide (en termes de temps de simulation) et réaliste (en tenant compte des données empiriques). Les résultats de performance ont été obtenus dans notre simulateur Matlab basé sur le paradigme OOP, à travers l'utilisation de plusieurs cas de test IoT. En outre, le modèle de latence utilisé pour notre étude a été validé expérimentalement ainsi que l'optimisation des paramètres proposée, montrant une grande précision.Après avoir obtenu les meilleures performances possibles de BLE sans modification de la spécification, nous avons évalué les performances du protocole en implémentant le concept de Wake-Up radio (WuR), qui est un récepteur d’ultra-faible consommation et qui est en charge de détecter le canal de communication, en attente d'un signal adressé au nœud, puis réveiller la radio principale. Ainsi, la radio principale, qui consomme beaucoup plus d'énergie, peut rester en mode veille pendant de longues périodes et passer en mode actif uniquement pour la réception de paquets, économisant ainsi une quantité d'énergie considérable. Nous avons démontré que la durée de vie de BLE peut être significativement augmentée en implémentant une WuR et nous proposons une modification du protocole afin de rendre ce protocole compatible avec un mode de fonctionnement qui inclut une WuR. Pour cela, nous avons étudié l'état de l'art de la WuR et évalué la durée de vie des périphériques BLE lorsqu'une WuR sélectionnée est implémentée du côté master. / The Internet of Things (IoT) is announced as the next big technological revolution where billions of devices will interconnect using Internet technologies and let users interact with the physical world, allowing Smart Home, Smart Cities, smart everything. Wireless Sensor Network (WSN) are crucial for turning the vision of IoT into a reality, but for this to come true, many of these devices need to be autonomous in energy. Hence, one major challenge is to provide multi-year lifetime while powered on batteries or using harvested energy. Bluetooth Low Energy (BLE) has shown higher energy efficiency and robustness than other well known WSN protocols, making it a strong candidate for implementation in IoT scenarios. Additionally, BLE is present in almost every smartphone, turning it into perfect ubiquitous remote control for smart homes, buildings or cities. Nevertheless, BLE performance improvement for typical IoT use cases, where battery lifetime should reach many years, is still necessary.In this work we evaluated BLE performance in terms of latency and energy consumption based on analytical models in order to optimize its performance and obtain its maximum level of energy efficiency without modification of the specification in a first place. For this purpose, we proposed a scenarios classification as well as modes of operation for each scenario. Energy efficiency is achieved for each mode of operation by optimizing the parameters that are assigned to the BLE nodes during the neighbor discovery phase. This optimization of the parameters was made based on an energy model extracted from the state of the art. The model, in turn, has been optimized to obtain latency and energy consumption regardless of the behavior of the nodes at different levels: application and communication. Since a node can be the central device at one level, while it can be the peripheral device at the other level at the same time, which affects the final performance of the nodes.In addition, a novel battery lifetime estimation model was presented to show the actual impact that energy consumption optimization have on nodes lifetime in a fast (in terms of simulation time) and realistic way (by taking into account empirical data). Performance results were obtained in our Matlab based simulator based on OOP paradigm, through the use of several IoT test cases. In addition, the latency model used for our investigation was experimentally validated as well as the proposed parameter optimization, showing a high accuracy.After obtaining the best performance possible of BLE without modification of the specification, we evaluated the protocol performance when implementing the concept of Wake-Up radio, which is an ultra low power receiver in charge on sensing the communication channel, waiting for a signal addressed to the node and then wake the main radio up. Thus, the main radio which consumes higher energy, can remain in sleep mode for long periods of time and switch to an active mode only for packet reception, therefore saving considerable amount of energy. We demonstrated that BLE lifetime can be significantly increased by implementing a Wake-Up radio and we propose a modification of the protocol in order to render this protocol compatible with an operating mode which includes a Wake-Up radio. For this, we studied the Wake-Up radio state of the art and evaluated BLE devices lifetime when a selected Wake-Up radio is implemented at the master side.

Dans le canal sans fil, la communication coopérative permet à un ou plusieurs relais d’aider la transmission entre la source et la destination. L'objectif de cette thèse est de développer des outils d'analyse de performance pour les systèmes coopératifs utilisant des techniques HARQ. Le premier chapitre de cette thèse donne des informations sur le codage de réseau dans les réseaux coopératifs, et introduit la motivation pour ce travail. L’objectif du deuxième chapitre est d’analyser et d’évaluer les performances de la qualité de service (QoS) des schémas ARQ-STBC, HARQ et FEC, dans le contexte de l’efficacité énergétique, aux niveaux des couches MAC et IP. Afin d’atteindre ce but, une nouvelle méthode d'analyse est dérivé et appliqué au scénario de communication point à point (P2P). Ceci nous permet de comparer les schémas avec et sans retransmissions, et d’établir la consommation d’énergie de chaque système considéré. Cela nous permet de déterminer dans quelles conditions il est énergétiquement plus efficace d’utiliser la protection cross-layer, ou le simple codage de canal. Dans le troisième chapitre une classe de protocoles coopératifs déterministes est introduite. Les protocoles que nous considérons sont différents en termes du comportement de relais(s) de source(s), et de la destination. Nous considérons deux types de protocoles coopératifs: decode-and-forward (DCF), et demodulate-and-forward (DMF). Les performances de chacun de ces protocoles sont analysés, avec et sans combining à la destination. Les évaluations de QoS qui sont examinés sont: le taux d'erreur de trame, le délai, l'efficacité, et le goodput. Les dérivations analytiques sont effectuées à l'aide de la machine à états finis de Markov, ainsi que grâce à l’approche combinatoire. Cependant, il est démontré, que la complexité de ces dérivations augmente au moment ou le crédit de retransmissions et/ou des nœuds dans le réseau est augmentée. Donc cette approche devient non-traitable pour des grands schémas coopératifs. Le quatrième chapitre présente une classe de protocoles de communication probabilistes, où les nœuds retransmettent avec une certaine probabilité. Il est démontré l'existence d'une classe de protocoles probabilistes équivalents, qui permettent d’obtenir les mêmes performances des protocoles déterministes précédemment traités. En utilisant la preuve de concept, nous démontrons que le protocole probabiliste permet d’effectuer les évaluations analytiques de réseaux multi-nœuds, même dans le cas d'un grand nombre de nœuds dans le réseau. Basée sur cela, nous déduisons les paramètres QoS, et les évaluons également par des simulations Monte-Carlo. Les paramètres d'évaluation de performances dérivées sont optimisés en limitant le taux d'erreur de trame, et en essayant de trouver le nombre de transmissions optimal et le code rate qui maximisent le goodput. Il est également démontré que la classe de protocoles probabilistes peut atteindre une région d’optimalité plus grand que la classe de protocoles déterministes. / In the wireless channel, cooperative communications allow one or many relays to assist the communication between the source and the destination. The aim of this thesis is the development of tools for the analysis of cooperative systems, when HARQ techniques are employed to provide cross-layer error protection. The first chapter of the thesis gives background information on network coding in cooperative relay networks, and introduces the motivation for this work. The second chapter is devoted to the analysis of the energetic-fair performance evaluations of FEC, ARQ-STBC and HARQ schemes at the MAC and IP layers. New analytical framework is derived and applied to a point-to-point network scenario. This framework allows to make energetic fair comparisons between the schemes with and without retransmissions. We determine under which channel conditions the cross-layer error protection is energetically more efficient than the simple channel coding. In the third chapter of this thesis we study the cooperative deterministic protocols. The protocols that we consider differ based on the behaviour of the relay(s), source(s), and destination. We consider two major types of cooperative protocols: decode-and forward (DCF), and demodulate-and-forward (DMF). Each of these protocols in its turn is analysed with and without combining mechanisms at the destination. We derive the soft decoders at the destination side for each respective case, and compare the performances of these protocols at the MAC layer. The following quality of service metrics are evaluated: frame error rate, delay, efficiency, goodput. The analysis is done evaluating the steady-state, using finite state Markov chains and a combinatorial approach. The analysis, however, becomes very complex as the number of transmissions and/or nodes in the network increases. The fourth chapter introduces a class of probabilistic communication protocols, where the devices retransmit with a given probability. We prove the existence of an equivalent class of protocols, with the same performances as the deterministic class. Using proofs of concept it is shown that the probabilistic protocol class allows for tractable steady-state analysis, even for many nodes in the network. Based on this, we then derive the QoS metrics and evalute them also by simulations. The derived performance evaluation metrics are then optimized by constraining the frame error rate, and trying to find the most optimal transmissions number and code rates which maximize the goodput. It is furthermore shown, that the equivalent protocol has larger optimal region than the deterministic one.