Pour supporter l’évolution constante des standards de communication numérique, du GSM vers la 5G, les équipements de communication doivent continuellement s’adapter. Face à l’utilisation croissante de l’internet, on assiste à une explosion du trafic de données, ce qui augmente la consommation d'énergie des appareils de communication sans fil et conduit donc à un impact significatif sur les émissions mondiales de CO2. De plus en plus de recherches se sont concentrées sur l'efficacité énergétique de la communication sans fil. La radio Intelligente, ou Cognitive Radio (CR), est considérée comme une technologie pertinente pour les communications radio vertes en raison de sa capacité à adapter son comportement à son environnement. Sur la base de métriques fournissant suffisamment d'informations sur l'état de fonctionnement du système, une décision optimale peut être effectuée en vue d'une action de reconfiguration, dans le but de réduire au minimum la dissipation d'énergie tout en ne compromettant pas les performances. Par conséquent, tout équipement intelligent doit disposer d’une architecture de gestion de la reconfiguration. Nous avons retenu l’architecture HDCRAM (Hierarchical and Distributed Cognitive Radio Architecture Management), développée dans notre équipe, et nous l’avons déployée sur des plates-formes hétérogènes. L'un des objectifs est d'améliorer l'efficacité énergétique par la mise en œuvre de l’architecture HDCRAM. Nous l’avons appliquée à un système OFDM simplifié pour illustrer comment HDCRAM permet de gérer efficacement le système et son adaptation à un environnement évolutif. / As the digital communication systems evolve from GSM and now toward 5G, the supported standards are also growing. The desired communication equipments are required to support different standards in a single device at the same time. And more and more wireless Internet services have been being provided resulting in the explosive growth in data traffic, which increase the energy consumption of the communication devices thus leads to significant impact on global CO2 emission. More and more researches have focused on the energy efficiency of wireless communication. Cognitive Radio (CR) has been considered as an enabling technology for green radio communications due to its ability to adapt its behavior to the changing environment. In order to efficiently manage the sensing information and the reconfiguration of a cognitive equipment, it is essential, first of all, to gather the necessary metrics so as to provide enough information about the operating condition thus helping decision making. Then, on the basis of the metrics obtained, an optimal decision can be made and is followed by a reconfiguration action, whose aim is to minimize the power dissipation while not compromising on performance. Therefore, a management architecture is necessary to be added into the cognitive equipment acting as a glue to realize the CR capabilities. We introduce a management architecture, namely Hierarchical and Distributed Cognitive Radio Architecture Management (HDCRAM), which has been proposed for CR management by our team. This work focuses on the implementation of HDCRAM on heterogeneous platforms. One of the objectives is to improve the energy efficiency by the management of HDCRAM. And an example of a simplified OFDM system is used to explain how HDCRAM works to efficiently manage the system to adapt to the changing environment.

Les architectures reconfigurables à base de FPGA sont capables de fournir des solutions adéquates pour plusieurs applications vu qu'elles permettent de modifier le comportement d'une partie du FPGA pendant que le reste du circuit continue de s'exécuter normalement. Ces architectures, malgré leurs progrès, souffrent encore de leur manque d'adaptabilité face à des applications constituées de tâches matérielles de taille différente. Cette hétérogénéité peut entraîner de mauvais placements conduisant à une utilisation sous-optimale des ressources et par conséquent une diminution des performances du système. La contribution de cette thèse porte sur la problématique du placement des tâches matérielles de tailles différentes et de la génération efficace des régions reconfigurables. Une méthodologie et une couche intermédiaire entre le FPGA et l'application sont proposées pour permettre le placement efficace des tâches matérielles de tailles différentes sur des partitions reconfigurables de taille prédéfinie. Pour valider la méthode, on propose une architecture basée sur l'utilisation de la reconfiguration partielle afin d'adapter le transcodage d'un format de compression vidéo à un autre de manière souple et efficace. Une étude sur le partitionnement de la région reconfigurable pour les tâches matérielles de l'encodeur entropique (CAVLC / VLC) est proposée afin de montrer l'apport du partitionnement. Puis une évaluation du gain obtenu et du surcoût de la méthode est présentée.

Pour supporter l’évolution constante des standards de communication numérique, du GSM vers la 5G, les équipements de communication doivent continuellement s’adapter. Face à l’utilisation croissante de l’internet, on assiste à une explosion du trafic de données, ce qui augmente la consommation d'énergie des appareils de communication sans fil et conduit donc à un impact significatif sur les émissions mondiales de CO2. De plus en plus de recherches se sont concentrées sur l'efficacité énergétique de la communication sans fil. La radio Intelligente, ou Cognitive Radio (CR), est considérée comme une technologie pertinente pour les communications radio vertes en raison de sa capacité à adapter son comportement à son environnement. Sur la base de métriques fournissant suffisamment d'informations sur l'état de fonctionnement du système, une décision optimale peut être effectuée en vue d'une action de reconfiguration, dans le but de réduire au minimum la dissipation d'énergie tout en ne compromettant pas les performances. Par conséquent, tout équipement intelligent doit disposer d’une architecture de gestion de la reconfiguration. Nous avons retenu l’architecture HDCRAM (Hierarchical and Distributed Cognitive Radio Architecture Management), développée dans notre équipe, et nous l’avons déployée sur des plates-formes hétérogènes. L'un des objectifs est d'améliorer l'efficacité énergétique par la mise en œuvre de l’architecture HDCRAM. Nous l’avons appliquée à un système OFDM simplifié pour illustrer comment HDCRAM permet de gérer efficacement le système et son adaptation à un environnement évolutif. / As the digital communication systems evolve from GSM and now toward 5G, the supported standards are also growing. The desired communication equipments are required to support different standards in a single device at the same time. And more and more wireless Internet services have been being provided resulting in the explosive growth in data traffic, which increase the energy consumption of the communication devices thus leads to significant impact on global CO2 emission. More and more researches have focused on the energy efficiency of wireless communication. Cognitive Radio (CR) has been considered as an enabling technology for green radio communications due to its ability to adapt its behavior to the changing environment. In order to efficiently manage the sensing information and the reconfiguration of a cognitive equipment, it is essential, first of all, to gather the necessary metrics so as to provide enough information about the operating condition thus helping decision making. Then, on the basis of the metrics obtained, an optimal decision can be made and is followed by a reconfiguration action, whose aim is to minimize the power dissipation while not compromising on performance. Therefore, a management architecture is necessary to be added into the cognitive equipment acting as a glue to realize the CR capabilities. We introduce a management architecture, namely Hierarchical and Distributed Cognitive Radio Architecture Management (HDCRAM), which has been proposed for CR management by our team. This work focuses on the implementation of HDCRAM on heterogeneous platforms. One of the objectives is to improve the energy efficiency by the management of HDCRAM. And an example of a simplified OFDM system is used to explain how HDCRAM works to efficiently manage the system to adapt to the changing environment.

Aujourd'hui, les appareils sans fil disposent généralement de plusieurs technologies d'accès radio (LTE, WiFi,WiMax, ...) pour gérer une grande variété de normes ou de technologies. Ces appareils doivent être suffisamment intelligents et autonomes pour atteindre un niveau de performance donné ou sélectionne automatiquement la meilleure technologie sans fil disponible en fonction de la disponibilité des normes. Du point de vue matériel, les périphériques System on Chip (SoC) intègrent des processeurs et des structures logiques FPGA sur la même puce avec une interconnexion rapide. Cela permet de concevoir des systèmes logiciels / matériels et de mettre en oeuvre de nouvelles techniques et méthodologies qui améliorent considérablement les performances des systèmes de communication. Dans ces dispositifs, la reconfiguration partielle dynamique (DPR) constitue une technique bien connue pour reconfigurer seulement une zone spécifique dans le FPGA tandis que d'autres parties continuent à fonctionner indépendamment. Pour évaluer quand il est avantageux d'effectuer un DPR, des techniques adaptatives ont été proposées. Ils consistent à reconfigurer automatiquement des parties du système en fonction de paramètres spécifiques. Dans cette thèse, un système de communication sans fil intelligent visant à implémenter un émetteur OFDM adaptatif et à effectuer un transfert vertical dans des réseaux hétérogènes est présenté. Une couche physique unifiée pour les réseaux WiFi-WiMax est également proposée. Un algorithme de transfert vertical intelligent (VHA) basé sur les réseaux neuronaux (NN) a été proposé pour sélectionner le meilleur standard sans fil disponible dans un réseau hétérogène. Le système a été implémenté et testé sur un ZedBoard équipé d'un Xilinx Zynq-7000-SoC. La performance du système est décrite et des résultats de simulation sont présentés afin de valider l'architecture proposée. Des mesures de puissance en temps réel ont été appliquées pour calculer l'énergie de surcharge pour l'opération de RP. De plus, des démonstrations ont été effectuées pour tester et valider le système mis en place. / Today, wireless devices generally feature multiple radio access technologies (LTE, WiFi, WiMax, ...) to handle a rich variety of standards or technologies. These devices should be intelligent and autonomous enough in order to either reach a given level of performance or automatically select the best available wireless standard. On the hardware side, System on Chip (SoC) devices integrate processors and FPGA logic fabrics on the same chip with fast inter-connection. This allows designing Software/Hardware systems. In these devices, Dynamic Partial Reconfiguration (DPR) constitutes a well-known technique for reconfiguring only a specific area within the FPGA while other parts continue to operate independently. To evaluate when it is advantageous to perform DPR, adaptive techniques have been proposed. They consist in reconfiguring parts of the system automatically according to specific parameters. In this thesis, an intelligent wireless communication system aiming at implementing an adaptive OFDM based transmitter is presented. An unified physical layer for WiFi-WiMax networks is also proposed. An intelligent Vertical Handover Algorithm (VHA) based on Neural Networks (NN) was proposed to select best available wireless standard in heterogeneous network. The system was implemented and tested on a ZedBoard which features a Xilinx Zynq-7000-SoC. The performance of the system is described and simulation results are presented in order to validate the proposed architecture. Real time power measurements have been applied to compute the overhead power for the PR operation. In addition demonstrations have been performed to test and validate the implemented system.

Les architectures reconfigurables à base de FPGA sont capables de fournir des solutions adéquates pour plusieurs applications vu qu'elles permettent de modifier le comportement d'une partie du FPGA pendant que le reste du circuit continue de s'exécuter normalement. Ces architectures, malgré leurs progrès, souffrent encore de leur manque d'adaptabilité fasse à des applications constituées de tâches matérielles de taille différente. Cette hétérogénéité peut entraîner de mauvais placements conduisant à une utilisation sous-optimale des ressources et par conséquent une diminution des performances du système. La contribution de cette thèse porte sur la problématique du placement des tâches matérielles de tailles différentes et de la génération efficace des régions reconfigurables. Une méthodologie et une couche intermédiaire entre le FPGA et l'application sont proposées pour permettre le placement efficace des tâches matérielles de tailles différentes sur des partitions reconfigurables de taille prédéfinie. Pour valider la méthode, on propose une architecture basée sur l'utilisation de la reconfiguration partielle afin d'adapter le transcodage d'un format de compression vidéo à un autre de manière souple et efficace. Une étude sur le partitionnement de la région reconfigurable pour les tâches matérielles de l'encodeur entropique (CAVLC / VLC) est proposée afin de montrer l'apport du partitionnement. Puis une évaluation du gain obtenu et du surcoût de la méthode est présentée / FPGA-based reconfigurable architectures can deliver appropriate solutions for several applications as they allow for changing the performance of a part of the FPGA while the rest of the circuit continues to run normally. These architectures, despite their improvements, still suffer from their lack of adaptability when confronted with applications consisting of variable size material tasks. This heterogeneity may cause wrong placements leading to a sub-optimal use of resources and therefore a decrease in the system performances. The contribution of this thesis focuses on the problematic of variable size material task placement and reconfigurable region effective generation. A methodology and an intermediate layer between the FPGA and the application are proposed to allow for the effective placement of variable size material tasks on reconfigurable partitions of a predefined size. To approve the method, we suggest an architecture based on the use of partial reconfiguration in order to adapt the transcoding of one video compression format to another in a flexible and effective way. A study on the reconfigurable region partitioning for the entropy encoder material tasks (CAVLC / VLC) is proposed in order to show the contribution of partitioning. Then an assessment of the gain obtained and of the method additional costs is submitted

Dans cette thèse, nous proposons une architecture reconfigurable scalable et flexible, avec un réseau de communication parallèle « full-duplex switched » ainsi que le modèle d’exécution approprié ce qui nous a permis de redéfinir les paradigmes de calcul, de communication et de reconfiguration dans les systèmes embarqués à haute performance (HPEC). Ces systèmes sont devenus très sophistiqués et consommant des ressources pour trois raisons. Premièrement, ils doivent capturer et traiter des données en temps réel à partir de plusieurs sources d’E/S parallèles. Deuxièmement, ils devraient adapter leurs fonctionnalités selon l’application ou l’environnement. Troisièmement, à cause du parallélisme potentiel des applications, multiples instances de calcul réparties sur plusieurs nœuds sont nécessaires, ce qui rend ces systèmes massivement parallèles. Grace au parallélisme matériel offert par les FPGAs, la logique d’une fonction peut être reproduite plusieurs fois pour traiter des E/S parallèles, faisant du modèle d’exécution « Single Program Multiple Data » (SPMD) un modèle préféré pour les concepteurs d’architectures parallèles sur FPGA. En plus, la fonctionnalité de reconfiguration dynamique est un autre attrait des composants FPGA permettant la réutilisation efficace des ressources matérielles limitées. Le défi avec les systèmes HPEC actuels est qu’ils sont généralement conçus pour répondre à des besoins spécifiques d’une application engendrant l’obsolescence rapide du matériel. Dans cette thèse, nous proposons une architecture qui permet la personnalisation des nœuds de calcul (FPGA), la diffusion des données (E/S, bitstreams) et la reconfiguration de plusieurs nœuds de calcul en parallèle. L’environnement logiciel exploite les attraits du réseau de communication pour implémenter le modèle d’exécution SPMD.Enfin, afin de démontrer les avantages de notre architecture, nous avons mis en place une application d’encodage H.264 sécurisé distribué évolutif avec plusieurs protocoles de communication avioniques pour les données et le contrôle. Nous avons utilisé le protocole « serial Front Panel Data Port (sFPDP) » d’acquisition de données à haute vitesse basé sur le standard FMC pour capturer, encoder et de crypter le flux vidéo. Le système mis en œuvre s’appuie sur 3 FPGA différents, en respectant le modèle d’exécution SPMD. En outre, nous avons également mis en place un système d’E/S modulaire en échangeant des protocoles dynamiquement selon les besoins du système. Nous avons ainsi conçu une architecture évolutive et flexible et un modèle d’exécution parallèle afin de gérer plusieurs sources vidéo d’entrée parallèles. / In this thesis, we propose a scalable and customizable reconfigurable computing platform, with a parallel full-duplex switched communication network, and a software execution model to redefine the computation, communication and reconfiguration paradigms in High Performance Embedded Systems. High Performance Embedded Computing (HPEC) applications are becoming highly sophisticated and resource consuming for three reasons. First, they should capture and process real-time data from several I/O sources in parallel. Second, they should adapt their functionalities according to the application or environment variations within given Size Weight and Power (SWaP) constraints. Third, since they process several parallel I/O sources, applications are often distributed on multiple computing nodes making them highly parallel. Due to the hardware parallelism and I/O bandwidth offered by Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), application can be duplicated several times to process parallel I/Os, making Single Program Multiple Data (SPMD) the favorite execution model for designers implementing parallel architectures on FPGAs. Furthermore Dynamic Partial Reconfiguration (DPR) feature allows efficient reuse of limited hardware resources, making FPGA a highly attractive solution for such applications. The problem with current HPEC systems is that, they are usually built to meet the needs of a specific application, i.e., lacks flexibility to upgrade the system or reuse existing hardware resources. On the other hand, applications that run on such hardware architectures are constantly being upgraded. Thus there is a real need for flexible and scalable hardware architectures and parallel execution models in order to easily upgrade the system and reuse hardware resources within acceptable time bounds. Thus these applications face challenges such as obsolescence, hardware redesign cost, sequential and slow reconfiguration, and wastage of computing power.Addressing the challenges described above, we propose an architecture that allows the customization of computing nodes (FPGAs), broadcast of data (I/O, bitstreams) and reconfiguration several or a subset of computing nodes in parallel. The software environment leverages the potential of the hardware switch, to provide support for the SPMD execution model. Finally, in order to demonstrate the benefits of our architecture, we have implemented a scalable distributed secure H.264 encoding application along with several avionic communication protocols for data and control transfers between the nodes. We have used a FMC based high-speed serial Front Panel Data Port (sFPDP) data acquisition protocol to capture, encode and encrypt RAW video streams. The system has been implemented on 3 different FPGAs, respecting the SPMD execution model. In addition, we have also implemented modular I/Os by swapping I/O protocols dynamically when required by the system. We have thus demonstrated a scalable and flexible architecture and a parallel runtime reconfiguration model in order to manage several parallel input video sources. These results represent a conceptual proof of a massively parallel dynamically reconfigurable next generation embedded computers.

Les travaux de recherche détaillés dans ce document portent sur la conception et l’implantation d’un composant matériel jouant le rôle du sous-système cryptographique d’une radio logicielle sécurisée.A partir du début des années 90, les systèmes radios ont peu à peu évolué de la radio classique vers la radio logicielle. Le développement de la radio logicielle a permis l’intégration d’un nombre toujours plus grand de standards de communication sur une même plateforme matérielle. La réalisation concrète d’une radio logicielle sécurisée amène son concepteur à faire face à de nombreuses problématiques qui peuvent se résumer par la question suivante : Comment implanter un maximum de standards de communication sur une même plateforme matérielle et logicielle ? Ce document s’intéresse plus particulièrement à l’implantation des standards cryptographiques destinés à protéger les radiocommunications.Idéalement, la solution apportée à ce problème repose exclusivement sur l’utilisation de processeurs numériques. Cependant, les algorithmes cryptographiques nécessitent le plus souvent une puissance de calcul telle que leur implantation sous forme logicielle n’est pas envisageable. Il s’ensuit qu’une radio logicielle doit parfois intégrer des composants matériels dédiés dont l'utilisation entre en conflit avec la propriété de flexibilité propre aux radios logicielles.Or depuis quelques années, le développement de la technologie FPGA a changé la donne. En effet, les derniers FPGA embarquent un nombre de ressources logiques suffisant à l’implantation des fonctions numériques complexes utilisées par la radio logicielle. Plus précisément, la possibilité offerte par les FPGA d'être reconfiguré dans leur totalité (voir même partiellement pour les derniers d’entre eux) fait d’eux des candidats idéaux à l’implantation de composants matériels flexibles et évolutifs dans le temps. À la suite de ces constatations, des travaux de recherche ont été menés au sein de l’équipe Conception des Systèmes Numériques du Laboratoire IMS. Ces travaux ont d’abord débouché sur la publication d’une architecture de sous-système cryptographique pour la radio logicielle sécurisée telle qu’elle est définie par la Software Communication Architecture. Puis, ils se sont poursuivis par la conception et l’implantation d’un cryptoprocesseur multi-cœur dynamiquement reconfigurable sur FPGA. / The research detailed in this document deal with the design and implementation of a hardware integrated circuit intended to be used as a cryptographic sub-system in secure software defined radios.Since the early 90’s, radio systems have gradually evolved from traditional radio to software defined radio. Improvement of the software defined radio has enabled the integration of an increasing number of communication standards on a single radio device. The designer of a software defined radio faces many problems that can be summarized by the following question: How to implement a maximum of communication standards into a single radio device? Specifically, this work focuses on the implementation of cryptographic standards aimed to protect radio communications.Ideally, the solution to this problem is based exclusively on the use of digital processors. However, cryptographic algorithms usually require a large amount of computing power which makes their software implementation inefficient. Therefore, a secure software defined radio needs to incorporate dedicated hardware even if this usage is conflicting with the property of flexibility specific to software defined radios.Yet, in recent years, the improvement of FPGA circuits has changed the deal. Indeed, the latest FPGAs embed a number of logic gates which is sufficient to meet the needs of the complex digital functions used by software defined radios. The possibility offered by FPGAs to be reconfigured in their entirety (or even partially for the last of them) makes them ideal candidates for implementation of hardware components which have to be flexible and scalable over time.Following these observations, research was conducted within the Conception des Systèmes Numériques team of the IMS laboratory. These works led first to the publication of an architecture of cryptographic subsystem compliant with the security supplement of the Software Communication Architecture. Then, they continued with the design and implementation of a partially reconfigurable multi-core cryptoprocessor intended to be used in the latest FPGAs.