Les réseaux de capteurs sans fil sont une collection de nœuds non connectés qui sont installés pour la détection de certains phénomènes intéressants. Après avoir pris des mesures un capteur sans fil retransmet ces mesures à la station de base. La station de base collecte les données de tous les capteurs et les analyse. Pour économiser l’énergie il est souvent utilise de grouper les capteurs en clusters, chaque cluster ayant une tête de cluster qui communique avec la station de base. Au début, on commence par analyser la simulation des réseaux Zigbee où il y a quelques nœuds qui transmettent avec différentes puissances. Les résultats montrent que dans les réseaux de capteurs mobiles et hétérogènes et à cause du phénomène d’isolation des nœuds et du coût très élevé du routage et la maintenance, les performances sont moins bonnes que celles des réseaux homogènes. Le but principal de cette thèse est de faire une analyse empirique des réseaux de capteurs. A cause de leurs ressources limitées les réseaux de capteurs doivent faire face à plusieurs défis techniques. Beaucoup de protocoles fonctionnent très bien dans les simulateurs mais pas aussi bien en implémentation réelle. Par exemple, les capteurs déposés sur un objet élevé subissent moins d’atténuation que les autres capteurs placés sur le sol. Dans cette thèse, on montre qu’il y a un impact des liens asymétriques sur la topologie des réseaux de capteurs sans fil et que la qualité des liens (LQI) varie en permanence. On propose deux méthodes pour améliorer les performances des algorithmes basés sur la qualité des liens des réseaux de capteurs avec des liens asymétriques. Dans la première méthode, le réseau n’a pas d’autre choix que d’avoir des nœuds qui transmettent à des grandes distances et deviennent des clusters Head. Le nombre de clusters Head peut être donné par Matérn Hard-core process. Dans la seconde méthode, on propose HybridLQI qui améliore les algorithmes basés sur LQI sans ajouter des entêtes au réseau. Ensuite, on applique les approches de clustérisassions théoriques sur le réseau de capteurs réel. On applique Matérn Hard Core process et Max-Min heuristique de formation des clusters sur des nœuds «Tmote » dans des réseaux denses et des réseaux de faible densité. Les résultats empiriques ont montré la supériorité de Matérn sur Max-Min dans les besoins d’espace mémoire, la simplicité de l’implémentation et le nombre de messages de signalisation. Enfin, en utilisant les chaînes de Markov absorbantes et des mesures, on étudie les performances des techniques de la distribution de charge dans des réseaux de capteurs réels / Wireless sensor networks are the collection of wireless nodes that are deployed to monitor certain phenomena of interest. Once the node takes measurements it transmits to a base station over a wireless channel. The base station collects data from all the nodes and do further analysis. To save energy, it is often useful to build clusters, and the head of each cluster communicates with the base station. Initially, we do the simulation analysis of the Zigbee networks where few nodes are more powerful than the other nodes. The results show that in the mobile heterogeneous sensor networks, due to phenomenon orphaning and high cost of route discovery and maintenance, the performance of the network degrades with respect to the homogeneous network. The core of this thesis is to empirically analyze the sensor network. Due to its resource constraints, low power wireless sensor networks face several technical challenges. Many protocols work well on simulators but do not act as we expect in the actual deployments. For example, sensors physically placed at the top of the heap experience Free Space propagation model, while the sensors which are at the bottom of the heap have sharp fading channel characteristics. In this thesis, we show that impact of asymmetric links in the wireless sensor network topology and that link quality between sensors varies consistently. We propose two ways to improve the performance of Link Quality Indicator (LQI) based algorithms in the real asymmetric link sensor networks. In the first way, network has no choice but to have some sensors which can transmit over the larger distance and become cluster heads. The number of cluster heads can be given by Matérn Hard-Core process. In the second solution, we propose HybridLQI which improves the performance of LQI based algorithm without adding any overhead on the network. Later, we apply theoretical clustering approaches in sensor network to real world. We deploy Matérn Hard Core Process and Max-Min cluster Formation heuristic on real Tmote nodes in sparse as well as highly dense networks. Empirical results show clustering process based on Matérn Hard Core Process outperforms Max-Min Cluster formation in terms of the memory requirement, ease of implementation and number of messages needed for clustering. Finally, using Absorbing Markov chain and measurements we study the performance of load balancing techniques in real sensor networks.

Le stockage de contenu populaire dans des caches disponibles aux utilisateurs, est une technique émergente qui permet de réduire le trafic dans les réseaux sans fil. En particulier, le coded caching proposée par Maddah-Ali et Niesen a été considéré comme une approche prometteuse pour atteindre un temps de livraison constant au fur et à mesure que la dimension augmente. Toutefois, plusieurs limitations empêchent ses applications. Nous avons adressé les limitations de coded caching dans les réseaux sans fil et avons proposé des schémas de livraison qui exploitent le gain de coded caching. Dans la première partie de la thèse, nous étudions la région de capacité pour un canal à effacement avec cache et retour d'information. Nous proposons un schéma et prouvons son optimalité pour des cas particuliers. Ces résultats sontgénéralisés pour le canal à diffusion avec desantennes multiples et retour d'information. Dans la deuxième partie, nous étudions la livraison de contenu sur un canal d'atténuation asymétrique, où la qualité du canal varie à travers les utilisateurs et le temps. En supposant que les demandes des utilisateurs arrivent de manière dynamique, nous concevons un schéma basé sur une structure de queues et nous prouvons qu’il maximise la fonction d'utilité par rapport à tous les schémas limités au cache décentralisé. Dans la dernière partie, nous étudions la planification opportuniste pour un canal d'atténuation asymétrique, en assurant une métrique de justice entre des utilisateurs. Nous proposons une politique de planification simple à base de seuil avec une complexité linéaire et qui exige seulement un bit de retour de chaque utilisateur. / Caching, i.e. storing popular contents at caches available at end users, has received a significant interest as a technique to reduce the peak traffic in wireless networks. In particular, coded caching proposed by Maddah-Ali and Niesen has been considered as a promising approach to achieve a constant delivery time as the dimension grows. However, several limitations prevent its applications in practical wireless systems. Throughout the thesis, we address the limitations of classical coded caching in various wireless channels. Then, we propose novel delivery schemes that exploit opportunistically the underlying wireless channels while preserving partly the promising gain of coded caching. In the first part of the thesis, we study the achievable rate region of the erasure broadcast channel with cache and state feedback. We propose an achievable schemeand prove its optimality for special cases of interest. These results are generalized to the multi-antenna broadcast channel with state feedback. In the second part, we study the content delivery over asymmetric block-fading broadcast channels, where the channel quality varies across users and time. Assuming that user requests arrive dynamically, we design an online scheme based on queuing structure and prove that it maximizes the alpha-fair utility among all schemes restricted to decentralized placement. In the last part, we study opportunistic scheduling over the asymmetric fading broadcast channel and aim to design a scalable delivery scheme while ensuring fairness among users. We propose a simple threshold-based scheduling policy of linear complexity that requires only a one-bit feedback from each user.

Les réseaux de capteurs sans fil (WSN) ont attiré un grand intérêt dans la dernière décennie, et ont apporté des solutions dans un nombre croissant d’applications. Toutefois, certaines d’entre elles restent irréalisables en raison de forts points de blocage non résolus, comme un manque de synchronisation entre les prises de mesures, ainsi que des débits de données trop faibles. Ce travail apporte une solution à ces deux points majeurs via la conception d’un noeud communicant sans fil spécifique. Celle ci, basée sur la conception croisée, utilise les propriétés temporelles des modulations UltraLarge Bande (UWB) pour permettre une synchronisation très précise ainsi qu’un débit de données élevé. Notre démonstrateur ASIC basé sur ces travaux permet une précision de synchronisation de 2 ns pour une modulation IR-UWB sur une bande passante de 1,5 GHz. Cette thèse décrit le protocole de synchronisation WiDeCS et la conception de deux preuves de concept fonctionnelles sur FPGA et ASIC / Wireless Sensor Networks have attracted mutch interest in the last decade, opening a new range of applications such as large area monitoring. However, a range of possible applications is still not satisfied due to strong blocking points remaining unsolved such as the lack of synchronization between measurements and low attain- able data rates. This doctoral work aims at solving these two issues issue through the design of a Wireless Sensor node implementation. The proposed solution is based on cross-layer design and uses time-domain properties of UltraWide Band (UWB) to provide nanosecond-scale synchronization between nodes and high data- rate transmission. An ASIC implementation has been designed, and demonstrates a 2 ns synchronization error with IR-UWB modulation over a 1.5 GHz bandwidth. In this thesis, a cross-layer scheme named WiDeCS is proposed, and two proof of concept implementations are detailed.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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Dans ce mémoire, de nouvelles approches ont été introduites pour concevoir les systèmes de communication fiables, Section 1, et sécurisées, Section 2, où les codes LDPC ont été choisis comme schéma de codage principal. Ce mémoire comprend deux sections : Section 1 : Les codes LDPC réguliers et irréguliers sont définis et différents décodeurs basés sur l’échange de message de décisions fermes et souples sont introduits. Par la suite, quelques définitions, comme le seuil des codes LDPC utilisant l’évolution de la densité de probabilité (ou la propagation de croyance), l’écart multiplicatif et les distributions de degrés de noeuds de parité et de noeuds de variable, sont énoncées. Par après, ces concepts préliminaires sont utilisés pour concevoir des ensembles de code LDPC irréguliers approchant la capacité du canal à l’aide de programmation linéaire et d’un algorithme génétique. Section 2 : Une méthode est introduite pour l’amélioration du secret dans ce genre de système. Cette méthode fonctionne sur la base de demande de retransmission de paquets d’information. Selon cette approche, lorsque le récepteur ne peut pas converger vers le bon message, une demande de retransmission est envoyée. Au lieu d’envoyer le paquet entier dans le cas d’une défaillance à la sortie du décodeur du destinataire, la retransmission des sous-paquets est explorée. Le système proposé dans cette phase est appelé protocole HARQ-Granulaire Adaptatif (AG-HARQ). Il essaie de réduire au minimum le taux requis pour un décodage réussi par les parties légitimes tout en augmentant la sécurité en minimisant les fuites d’information vers un espion éventuel. En outre, pour améliorer encore le niveau de sécurité dans la méthode AG-HARQ proposée, le schéma de contamination d’erreur intra-trame (IntraEC) et le schéma de contamination d’erreur inter-trame (InterEC) sont utilisés en conjonction avec cette méthode. Cette combinaison permet un haut niveau de sécurité dans le système de communication sans fil. / In this memoir, new approaches have been introduced for designing reliable, Section 1, and secure, Section 2, communication systems where the LDPC codes have been chosen as the principal coding scheme. This memoir comprises two sections: Section 1: Regular and irregular LDPC codes are defined and different message passing decoders based on hard and soft decisions are introduced. Afterward, some definitions like the threshold of LDPC codes using Density Evolution (or Belief Propagation), the Multiplicative Gap, and the check node and variable node degree distributions are explained in detail. Later, these preliminary concepts are used to design the channel capacity approaching Irregular LDPC codes combining Genetic Algorithm and Linear Programming. Section 2: A new scheme is introduced for secrecy enhancement for these systems. This method is based on feedback retransmission requests. With this approach, when the intended recipient cannot converge to the right message, a retransmission request is sent back to the transmitter. The retransmission of the sub-packets, instead of sending the whole packet in the case of failure at the intended recipient’s decoder output, is explored in detail. Our proposed scheme is called Adaptive Granular Hybrid Automatic Repeat reQuest (AG-HARQ) protocol, which tries to minimize the required rate for successful decoding of the legitimate parties while amplifying the privacy by minimizing the information leakage to a wiretapper. In addition, to further improve the security level of the proposed AG-HARQ method, Intra-frame error contamination (IntraEC) and Inter-frame error contamination (InterEC) schemes are used in conjunction with this method. This combination can provide a high level of security in wireless communication systems.

En raison de la nature intime des interactions homme-textiles (essentiellement, nous sommes entourés par les textiles 24/7 - soit sous la forme de vêtements que nous portons ou comme rembourrage dans nos voitures, maisons, bureaux, etc.), les textiles intelligents sont devenus des plates-formes de plus en plus attrayantes pour les réseaux de capteurs innovants biomédicaux, transducteurs, et des microprocesseurs dédiés à la surveillance continue de la santé. En même temps, l'approche commune dans le domaine des textiles intelligents consiste en l'adaptation de la microélectronique planaire classique à une sorte de substrat souple. Cela se traduit souvent par de mauvaises propriétés mécaniques et donc des compromis au niveau du confort et de l'acceptation des usagers, qui à leur tour peuvent probablement expliquer pourquoi ces solutions émergent rarement du laboratoire et, à l'exception de certains cas très spécifiques, ne soit pas utilisés dans la vie de tous les jours. Par ailleurs, nous assistons présentement à un changement de paradigme au niveau de l'informatique autonome classique vers le concept de calculs distribués (ou informatique en nuage). Dans ce cas, la puissance de calcul du nœud individuel ou d'un dispositif de textile intelligent est moins importante que la capacité de transmettre des données à l'Internet. Dans ce travail, je propose une nouvelle approche basée sur l'intégration de polymère, verre et métal dans des structures de fibres miniaturisées afin de réaliser des dispositifs de textiles intelligents de prochaine génération avec des fonctionnalités de niveau supérieur (comme la communication sans fil, la reconnaissance tactile, les interconnexions électriques) tout en ayant une forme minimalement envahissante. Tout d'abord, j'étudie différents modèles d'antennes compatibles avec la géométrie des fibres et des techniques de fabrication. Ensuite, je démontre expérimentalement que ces antennes en fibres multi-matériaux peuvent être intégrées dans les textiles lors d’un processus standard de fabrication de textiles. Les tests effectués sur ces textiles ont montré que, pour les scénarios «sur-corps et hors-corps», les propriétés émissives en termes de perte de retour (S11), le patron (diagramme) de radiation, l'efficacité (gain), et le taux d'erreur binaire (TEB) sont directement comparables à des solutions classiques rigides. Ces antennes sont adéquates pour les communications à courte portée des applications de communications sans fil ayant un débit de données de Mo/s (méga-octets par seconde) (via protocoles Bluetooth et IEEE 802.15.4 à la fréquence de 2,4 GHz). Des simulations numériques de taux d'absorption spécifique démontrent également le plein respect des règles de sécurité imposées par Industrie Canada pour les réseaux sans fil à proximité du corps humain. Puisque les matériaux composites de fibres métal-verre-polymère sont fabriqués en utilisant des fibres de silice creuses de diamètre submillimétrique et la technique de dépôt d'argent à l'état liquide, les éléments conducteurs sont protégés de l'environnement et ceci préserve aussi les propriétés mécaniques et esthétiques des vêtements. Cet aspect est confirmé par des essais correspondant aux normes de l'industrie du textile, l'étirement standard et des essais de flexion. De plus, appliquer des revêtements superhydrophobes (WCA = 152º, SA = 6º) permet une communication sans fil sans interruption de ces textiles sous l'application directe de l'eau, même après plusieurs cycles de lavage. Enfin, le prototype de textile intelligent fabriqué interagit avec l'utilisateur à travers un détecteur tactile et transmet les données tactiles à travers le protocole Bluetooth à un smartphone. Cette démonstration valide l’approche des fibres multi-matériaux pour une variété d'applications. / As we are surrounded by textiles 24/7, either in the form of garments that we wear or as upholstery in our cars, homes, offices, etc., textiles are especially attractive platforms for arrays of innovative biomedical sensors, transducers, and microprocessors dedicated, among other applications, to continuous health monitoring. In the same time, the common approach in the field of smart textiles consists in adaptation of conventional planar microelectronics to some kind of flexible substrate, which often results in poor mechanical properties and thus compromises wearing comfort and complicates garment care, which results in low user acceptance. This explains why such solutions rarely emerge from the lab and, with the exception of some very specific cases, cannot be seen in the everyday life. Furthermore, we are currently witnessing a global shift from classical standalone computing to the concept of distributed computation (e.g. so-called thin clients and cloud storage). In this context, the computation power of the individual node or smart textile device in this case, becomes progressively less important than the ability to relay data to the Internet. In this work, I propose a novel approach based on the idea of integration of polymer, glass and metal into miniaturized fiber structures in order to achieve next-generation smart textile devices with higher-level functionalities, such as wireless communication, touch recognition, electrical interconnects, with minimally-invasive attributes. First, I investigate different possible fiber-shaped antenna designs and fabrication techniques. Next, I experimentally demonstrate that such multi-material fiber antennas can be integrated into textiles during standard textile manufacturing process. Tests conducted on these textiles have shown that, for on-body and off-body scenarios, the emissive properties in terms of return loss (S11), radiation pattern, efficiency (gain), and bit-error rate (BER) are directly comparable to classic ‘rigid’ solutions and adequately address short-range wireless communications applications at Mbps data-rates (via Bluetooth and IEEE 802.15.4 protocols at 2.4 GHz frequency). Numerical simulations of the specific absorption rate (SAR) also demonstrate full compliance with safety regulations imposed by Industry Canada for wireless body area network devices. Since metal-glass-polymer fiber composites were fabricated using sub-millimetre hollow-core silica fibers and liquid state silver deposition technique, the conductor elements are shielded against the environment and preserve the mechanical and cosmetic properties of the garments. This is confirmed by the textile industry standard stretching and bending tests. Additionally, applied superhydrophobic coatings (WCA=152º, SA=6º) allow uninterrupted wireless communication of the textiles under direct water application even after multiple washing cycles. Finally, I fabricated a user-interactive and wireless-communicating smart textile prototype, that interacts with the user through capacitive touch-sensing and relays the touch data through Bluetooth protocol to a smartphone. This demonstration validates that the proposed approach based on multi-material fibers is suitable for applications to sensor fabrics and bio-sensing textiles connected in real time to mobile communications infrastructures, suitable for a variety of health and life science applications.

A wireless sensor network (WSN) consists of a large number of sensor nodes that are capable of detecting many types of information from the environment, including temperature, light, humidity, radiation and seismic vibrations. Current applications of WSNs include: physical security, air traffic control, video surveillance, environment and building monitoring. Such applications require that each sensor node knows its exact location. In this context, the received signal strength indicator (RSSI) is often used for distance measurements between the sensor nodes. This thesis presents a method for the evaluation of the RSSI properties in application to node localization in WSN. More specifically, a WSN application is implemented for collecting RSSI measurement in different conditions. The application consists of two parts: an experiment control script which runs on a computer, and an experiment mote firmware which runs on each WSN node. Statistical analysis of variance (ANOVA) was performed to determine the factors affecting the RSSI measurements. Result analysis shows that: the relation between RSSI values and distances depends on the environment; the used WSN motes are manufactured with enough precision, as the differences between the motes are insignificant; even if the RSSI measurements have significant variation, the mean RSSI values correlate with the distances; using different transmission power levels can provide additional information about the distances.

Nous élaborons une interface cerveau-machine (ICM) entièrement sans fil afin de fournir un système de liaison directe entre le cerveau et les périphériques externes, permettant l’enregistrement et la stimulation du cerveau pour une utilisation permanente. Au cours de cette thèse, nous explorons la modélisation de canal, les antennes implantées et portables en tant que propagateurs appropriés pour cette application, la conception du nouveau système d’un émetteur-récepteur UWB implantable, la conception niveau système du circuit et sa mise en oeuvre par un procédé CMOS TSMC 0.18 um. En plus, en collaboration avec Université McGill, nous avons conçu un réseau de seize antennes pour une détection du cancer du sein à l’aide d’hyperfréquences. Notre première contribution calcule la caractérisation de canal de liaison sans fil UWB d’implant à l’air, l’absorption spécifique moyennée (ASAR), et les lignes directrices de la FCC sur la densité spectrale de puissance UWB transmis. La connaissance du comportement du canal est nécessaire pour déterminer la puissance maximale permise à 1) respecter les lignes directrices ANSI pour éviter des dommages aux tissus et 2) respecter les lignes directrices de la FCC sur les transmissions non autorisées. Nous avons recours à un modèle réaliste du canal biologique afin de concevoir les antennes pour l’émetteur implanté et le récepteur externe. Le placement des antennes est examiné avec deux scénarios contrastés ayant des contraintés de puissance. La performance du système au sein des tissus biologiques est examinée par l’intermédiaire des simulations et des expériences. Notre deuxième contribution est dédiée à la conception des antennes simples et à double polarisation pour les systèmes d’enregistrement neural sans fil à bande ultra-large en utilisant un modèle multicouches inhomogène de la tête humaine. Les antennes fabriquées à partir de matériaux flexibles sont plus facilement adaptées à l’implantation ; nous étudions des matériaux à la fois flexibles et rigides et examinons des compromis de performance. Les antennes proposées sont conçues pour fonctionner dans une plage de fréquence de 2-11 GHz (ayant S11-dessous de -10 dB) couvrant à la fois la bande 2.45 GHz (ISM) et la bande UWB 3.1-10.6 GHz. Des mesures confirment les résultats de simulation et montrent que les antennes flexibles ont peu de dégradation des performances en raison des effets de flexion (en termes de correspondance d’impédance). Finalement, une comparaison est réalisée entre quatre antennes implantables, couvrant la gamme 2-11 GHz : 1) une rigide, à la polarisation simple, 2) une rigide, à double polarisation, 3) une flexible, à simple polarisation et 4) une flexible, à double polarisation. Dans tous les cas une antenne rigide est utilisée à l’extérieur du corps, avec une polarisation appropriée. Plusieurs avantages ont été confirmés pour les antennes à la polarisation double : 1) une taille plus petite, 2) la sensibilité plus faible aux désalignements angulaires, et 3) une plus grande fidélité. Notre troisième contribution fournit la conception niveau système de l’architecture de communication sans fil pour les systèmes implantés qui stimulent simultanément les neurones et enregistrent les réponses de neurones. Cette architecture prend en charge un grand nombre d’électrodes (> 500), fournissant 100 Mb/s pour des signaux de stimulation de liaison descendante, et Gb/s pour les enregistrements de neurones de liaison montante. Nous proposons une architecture d’émetteur-récepteur qui partage une antenne ultra large bande, un émetteur-récepteur simplifié, travaillant en duplex intégral sur les deux bandes, et un nouveau formeur d’impulsions pour la liaison montante du Gb/s soutenant plusieurs formats de modulation. Nous présentons une démonstration expérimentale d’ex vivo de l’architecture en utilisant des composants discrets pour la réalisation les taux Gb/s en liaison montante. Une bonne performance de taux d’erreur de bit sur un canal biologique à 0,5, 1 et 2 Gb/s des débits de données pour la télémétrie de liaison montante (UWB) et 100 Mb/s pour la télémétrie en liaison descendante (bande 2.45 GHz) est atteinte. Notre quatrième contribution présente la conception au niveau du circuit d’un dispositif d’émission en duplex total qui est présentée dans notre troisième contribution. Ce dispositif d’émission en duplex total soutient les applications d’interfaçage neural multimodal et en haute densité (les canaux de stimulant et d’enregistrement) avec des débits de données asymétriques. L’émetteur (TX) et le récepteur (RX) partagent une seule antenne pour réduire la taille de l’implant. Le TX utilise impulse radio ultra-wide band (IR-UWB) basé sur une approche alliant des bords, et le RX utilise un nouveau 2.4 GHz récepteur on-off keying (OOK).Une bonne isolation (> 20 dB) entre le trajet TX et RX est mis en oeuvre 1) par mise en forme des impulsions transmises pour tomber dans le spectre UWB non réglementé (3.1-7 GHz), et 2) par un filtrage espace-efficace du spectre de liaison descendante OOK dans un amplificateur à faible bruit RX. L’émetteur UWB 3.1-7 GHz peut utiliser soit OOK soit la modulation numérique binaire à déplacement de phase (BPSK). Le FDT proposé offre une double bande avec un taux de données de liaison montante de 500 Mbps TX et un taux de données de liaison descendante de 100 Mb/s RX, et il est entièrement en conformité avec les standards TSMC 0.18 um CMOS dans un volume total de 0,8 mm2. Ainsi, la mesure de consommation d’énergie totale en mode full duplex est de 10,4 mW (5 mW à 100 Mb/s pour RX, et de 5,4 mW à 500 Mb/s ou 10,8 PJ / bits pour TX). Notre cinquième contribution est une collaboration avec l’Université McGill dans laquelle nous concevons des antennes simples et à double polarisation pour les systèmes de détection du cancer du sein à l’aide d’hyperfréquences sans fil en utilisant un modèle multi-couche et inhomogène du sein humain. Les antennes fabriquées à partir de matériaux flexibles sont plus facilement adaptées à des applications portables. Les antennes flexibles miniaturisées monopôles et spirales sur un 50 um Kapton polyimide sont conçus, en utilisant high frequency structure simulator (HFSS), à être en contact avec des tissus biologiques du sein. Les antennes proposées sont conçues pour fonctionner dans une gamme de fréquences de 2 à 4 GHz. Les mesures montrent que les antennes flexibles ont une bonne adaptation d’impédance dans les différentes positions sur le sein. De Plus, deux antennes à bande ultralarge flexibles 4 × 4 (simple et à double polarisation), dans un format similaire à celui d’un soutien-gorge, ont été développés pour un système de détection du cancer du sein basé sur le radar. / We are working on a fully wireless brain-machine-interface to provide a communication link between the brain and external devices, enabling recording and stimulating the brain for permanent usage. In this thesis we explore channel modeling, implanted and wearable antennas as suitable propagators for this application, system level design of an implantable UWB transceiver, and circuit level design and implementing it by TSMC 0.18 um CMOS process. Also, in a collaboration project with McGill University, we designed a flexible sixteen antenna array for microwave breast cancer detection. Our first contribution calculates channel characteristics of implant-to-air UWB wireless link, average specific absorption rate (ASAR), and FCC guidelines on transmitted UWB power spectral density. Knowledge of channel behavior is required to determine the maximum allowable power to 1) respect ANSI guidelines for avoiding tissue damage and 2) respect FCC guidelines on unlicensed transmissions. We utilize a realistic model of the biological channel to inform the design of antennas for the implanted transmitter and the external receiver. Antennas placement is examined under two scenarios having contrasting power constraints. Performance of the system within the biological tissues is examined via simulations and experiments. Our second contribution deals with designing single and dual-polarization antennas for wireless ultra-wideband neural recording systems using an inhomogeneous multi-layer model of the human head. Antennas made from flexible materials are more easily adapted to implantation; we investigate both flexible and rigid materials and examine performance trade-offs. The proposed antennas are designed to operate in a frequency range of 2–11 GHz (having S11 below -10 dB) covering both the 2.45 GHz (ISM) band and the 3.1–10.6 GHz UWB band. Measurements confirm simulation results showing flexible antennas have little performance degradation due to bending effects (in terms of impedance matching). Finally, a comparison is made of four implantable antennas covering the 2-11 GHz range: 1) rigid, single polarization, 2) rigid, dual polarization, 3) flexible, single polarization and 4) flexible, dual polarization. In all cases a rigid antenna is used outside the body, with an appropriate polarization. Several advantages were confirmed for dual polarization antennas: 1) smaller size, 2) lower sensitivity to angular misalignments, and 3) higher fidelity. Our third contribution provides system level design of wireless communication architecture for implanted systems that simultaneously stimulate neurons and record neural responses. This architecture supports large numbers of electrodes (> 500), providing 100 Mb/s for the downlink of stimulation signals, and Gb/s for the uplink neural recordings. We propose a transceiver architecture that shares one ultra-wideband antenna, a streamlined transceiver working at full-duplex on both bands, and a novel pulse shaper for the Gb/s uplink supporting several modulation formats. We present an ex-vivo experimental demonstration of the architecture using discrete components achieving Gb/s uplink rates. Good bit error rate performance over a biological channel at 0.5, 1, and 2 Gbps data rates for uplink telemetry (UWB) and 100 Mbps for downlink telemetry (2.45 GHz band) is achieved. Our fourth contribution presents circuit level design of the novel full-duplex transceiver (FDT) which is presented in our third contribution. This full-duplex transceiver supports high-density and multimodal neural interfacing applications (high-channel count stimulating and recording) with asymmetric data rates. The transmitter (TX) and receiver (RX) share a single antenna to reduce implant size. The TX uses impulse radio ultra-wide band (IR-UWB) based on an edge combining approach, and the RX uses a novel 2.4-GHz on-off keying (OOK) receiver. Proper isolation (> 20 dB) between the TX and RX path is implemented 1) by shaping the transmitted pulses to fall within the unregulated UWB spectrum (3.1-7 GHz), and 2) by spaceefficient filtering (avoiding a circulator or diplexer) of the downlink OOK spectrum in the RX low-noise amplifier. The UWB 3.1-7 GHz transmitter can use either OOK or binary phase shift keying (BPSK) modulation schemes. The proposed FDT provides dual band 500-Mbps TX uplink data rate and 100 Mbps RX downlink data rate, and it is fully integrated into standard TSMC 0.18 um CMOS within a total size of 0.8 mm2. The total measured power consumption is 10.4 mW in full duplex mode (5 mW at 100 Mbps for RX, and 5.4 mW at 500 Mbps or 10.8 pJ/bit for TX). Our fifth contribution is a collaboration project with McGill University which we design single and dual-polarization antennas for wireless ultra-wideband breast cancer detection systems using an inhomogeneous multi-layer model of the human breast. Antennas made from flexible materials are more easily adapted to wearable applications. Miniaturized flexible monopole and spiral antennas on a 50 um Kapton polyimide are designed, using a high frequency structure simulator (HFSS), to be in contact with biological breast tissues. The proposed antennas are designed to operate in a frequency range of 2–4 GHz (with reflection coefficient (S11) below -10 dB). Measurements show that the flexible antennas have good impedance matching while in different positions with different curvature around the breast. Furthermore, two flexible conformal 4×4 ultra-wideband antenna arrays (single and dual polarization), in a format similar to that of a bra, were developed for a radar-based breast cancer detection system.

Le nombre de thérapies cellulaires à l'étude va grandissant. Parmi ces thérapies, on retrouve la thérapie cellulaire de la dystrophie musculaire de Duchenne. Cette dernière vise l'amélioration des conditions de vie des enfants atteints par cette maladie génétique rare. En effet, on dénombre 1 garçon sur 3500 touché par cette maladie. Il s'agit d'une maladie génétique irréversible affectant le gène de la dystrophine, qui occasionne une dégradation prématurée des fibres musculaires. Les patients touchés se retrouvent rapidement immobilisés, ce qui amène une mort lente, généralement causée par une insuffisance pulmonaire ou cardiaque, entre l'âge de 20 à 30 ans. Cette thérapie consiste à prélever des cellules du patient qui seront mises en culture, corrigées génétiquement, pour alors être greffées vers les muscles ciblés. Pour contribuer à la sécurité de cette thérapie, un milieu de culture cellulaire non supplémenté par du sérum sanguin (serum-free medium, SFM) a été développé par Victor Parent, étudiant au doctorat sous la supervision d'Alain Garnier. Ce milieu permet de remplacer le milieu conventionnel utilisé pour multiplier ces cellules (serum containing media, SCM) contenant du sérum fœtal bovin (fetal bovine serum, FBS). Le FBS est efficace en culture cellulaire, cependant il augmente les risques de contamination chimique et biologique. Il fait en sorte que la composition du milieu de culture est variable d'un lot à l'autre de FBS, ce qui augmente la variabilité du procédé de croissance cellulaire et son coût dispendieux n'est pas à l'abri des fluctuations du marché. Ces fortes contraintes motivent le développement de milieux définis sans sérum. Le SFM a été développé en testant plus de 6 milieux de base et plus de 60 ingrédients divers. Cependant les cellules cultivées dans ce milieu ne présentent pas la même morphologie que celles cultivées en présence de FBS. Aussi, en fin de culture en SFM, les cellules peuvent présenter un début de différentiation en myotubes. Cette différentiation est non désirable lors de la culture de cellules précurseurs des muscles (myoblastes). De plus, le coût de l'ensemble des ingrédients du SFM représente 1600 $/L, soit 5 fois celui du milieu standard (SCM). Afin de résoudre ces problèmes et réduire le coût de ce milieu, une étude a été lancée pour optimiser le SFM. Pour ce faire, un algorithme d'analyse d'image a été utilisé afin d'évaluer objectivement, simplement et en direct, la morphologie cellulaire. Cette méthode est non destructive et a la capacité d'analyser automatiquement cette morphologie en étant combinée à un microscope automatisé dans un environnement contrôlé. Combiné à l'utilisation de plans statistiques d'expérience, ces moyens permettent d'obtenir les informations nécessaires en utilisant un minimum d'échantillons, d'efforts et de coûts. Afin de répondre aux objectifs de ce projet, quatre groupes de plans d'expérience ont été effectués sur les ingrédients existants du SFM. Les résultats de ces essais ont permis d'exclure quatre des huit ingrédients les plus coûteux du SFM, ce qui représente une diminution totale de son coût de 59%, aboutissant à l'identification d'un milieu optimal (MSFM). De plus, la morphologie et le temps doublement des cellules dans le MSFM est similaire au SCM et ne présente aucune formation de myotubes. Un essai de greffe de cellules cultivées avec ce milieu démontre que la greffe de cellules cultivées dans le MSFM est 20% plus efficace in vivo par rapport aux milieux standards (SFM et SCM). Face à deux compétiteurs de ce milieu, le MSFM se situe parmi les moins chers du marché (2 fois plus élevé que le SCM) et il est 81% plus performant que son plus proche concurrent. En conclusion, cette recherche a permis d'optimiser un milieu de culture cellulaire sans sérum. Cette optimisation rend ce milieu, le MSFM, le plus performant et le moins cher actuellement disponible. Il va donc ainsi pouvoir s'intégrer dans tous travaux de recherche menés sur les myoblastes humains ainsi que lors du développement de thérapies cellulaires de la dystrophie musculaire de Duchenne et finalement de l'application de ces thérapies.