L'Internet des Objets a pour but d'intégrer des milliards d'objets connectés dans l'Internet.Du point de vue matériel, ces objets connectés sont de petits ordinateurs très bon marché, basés sur des micro-contrôleurs et des puces radio efficaces en énergie apparus récemment, couplés avec des capteurs et actionneur divers, le tout alimenté par une batterie de très petite taille.Ces objets connectés sont donc typiquement très contraints en ressources telles que CPU, mémoire et énergie.De plus, les liens radio à travers lesquels communiquent les objets connectés ont une capacité très limitée, sont souvent sujet à des taux de perte importants, et peuvent requérir du routage spontané entre objets connectés pour fournir la connectivité nécessaire.Ces caractéristiques posent des défis, d'une part en termes de logiciel embarqué s'exécutant sur les objets connectés, et d'autre part en termes de protocols réseaux utilisés par les objets connectés pour communiquer.En conséquence, de nouvelles méthodes et outils expérimentaux sont nécessaires pour étudier in vivo les réseaux formés d'objets connectés, de nouvelles plateformes logicielles sont nécessaires pour exploiter efficacement les objets connectés, et des protocoles de communication innovants sont nécessaire pour interconnecter ces objets.La présente thèse relève en partie ces défis, en introduisant des nouveaux outils facilitant l'utilisation de grands réseaux test interconnectant de nombreux objets connectés, un nouveau système d'exploitation (RIOT) utilisable sur une très grande variété d'objets connectés, ainsi que plusieurs nouveaux mécanismes utilisant le paradigme des réseaux centrés contenus pour améliorer significativement l'efficacité énergétique des protocoles de communication standards de l'Internet des Objets. / The Internet of Things aims to seamlessly integrate billions of so-called Smart Objects into traditional Internet infrastructures.From the hardware perspective, Smart Objects emerged when tiny, cheap computers became available, combining energy efficient micro-controllers, low-power radio transceivers, and sensors as well as actuators interacting with the physical world, often powered by batteries.Typically, Smart Objects are thus heavily constrained in terms of CPU, memory and energy resources.Furthermore, wireless links used for communication among Smart Objects or towards the Internet are often slow, subject to high packet loss, and may require spontaneous store-and-forward among peer Smart Objects to ensure connectivity.Such characteristics pose challenges, on one hand in terms of software running on Smart Objects, and on the other hand in terms of network protocols Smart Objects use to communicate.In consequence, novel evaluation methods and experimental tools are needed to study Smart Object networks in vivo, new software platforms are needed to efficiently operate Smart Objects, and innovative networking paradigms and protocols are required to interconnect Smart Objects.This thesis addresses these challenges by introducing new tools for large scale testbed-driven experimental research, a novel operating system (RIOT) applicable to a wide variety of connected Smart Objects, and several new mechanisms leveraging information-centric networking which significantly improve energy-efficiency compared to state-of-the-art network protocols in the Internet of Things.

De nombreux systèmes de communication sans fil ont adopté les codes turbo et les codes convolutifs comme schéma de codes correcteurs d'erreurs vers l'avant (FEC) pour les données et les canaux généraux. Toutefois, certaines versions proposent les codes LDPC pour la correction d'erreurs en raison de la complexité de l'implémentation des décodeurs turbo et le succès de certains codes LDPC irréguliers dans la réalisation des mêmes performances que les codes turbo les dépassent dans certains cas avec une complexité de décodage plus faible. En fait, les nouvelles versions des standards de ces systèmes travaillent côte à côte dans des dispositifs réels avec les plus anciennes qui sont basées sur les codes turbo et les codes convolutifs. En effet, ces deux familles de codes offrent toutes deux d'excellentes performances en termes de taux d'erreur binaire (TEB). Par conséquent, il semble être une bonne idée d'essayer de les relier de manière à améliorer le transfert de technologie et l'hybridation entre les deux méthodes. Ainsi, la conception efficace de décodeurs universels des codes convolutifs, turbo, et LDPC est critique pour l'avenir de l'implémentation des systèmes sans fil. En outre, un décodeur efficace pour les codes turbo et codes convolutifs est obligatoire pour la mise en oeuvre de ces systèmes sans fil. Cela pourrait se faire par l'élaboration d'un algorithme de décodage unifié des codes convolutifs, turbo et LDPC par des simulations et des études analytiques suivies d'une phase de mise en oeuvre. Pour introduire ce décodeur universel, il existe deux approches, soit sur la base de l'algorithme du maximum a posteriori (MAP) ou l'algorithme de propagation de croyance (BP). D'une part, nous étudions une nouvelle approche pour décoder les codes convolutifs et les turbo codes au moyen du décodeur par propagation de croyances (BP) décodeur utilisé pour les codes de parité à faible densité (codes LDPC). En outre, nous introduisons un système de représentation général pour les codes convolutifs par des matrices de contrôle de parité. De plus, les matrices de contrôle de parité des codes turbo sont obtenus en traitant les codes turbo parallèles comme des codes convolutifs concaténés. En effet, l'algorithme BP fournit une méthodologie très efficace pour la conception générale des algorithmes de décodage itératif de faible complexité pour toutes les classes des codes convolutifs ainsi que les turbo-codes. Alors qu'une petite perte de performance est observée lors du décodage de codes turbo avec BP au lieu du MAP, cela est compensé par la complexité moindre de l'algorithme BP et les avantages inhérents à une architecture unifiée de décodage. En outre, ce travail exploite la représentation tail-biting de la matrice de contrôle de parité des codes convolutifs et des codes turbo, ce qui permet le décodage par un algorithme de propagation de croyance unifiée (BP) pour les nouveaux systèmes de communication sans fils tels que le WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) et le LTE (Long Term Evolution). D'autre part, comme solution alternative, une recherche est effectuée sur la façon de produire un décodeur combiné de ces deux familles de codes basé sur l'algorithme MAP. Malheureusement, cette seconde solution nécessite beaucoup de calculs et de capacité de stockage pour sa mise en oeuvre. En outre, ses récurrences en avant et en arrière résultent en de longs délais de décodage. Entre temps, l'algorithme MAP est basé sur le treillis et la structure en treillis du code LDPC est suffisamment compliquée en raison de la matrice de contrôle de parité de grande taille. En conséquence, cette approche peut être difficile à mettre en oeuvre efficacement car elle nécessite beaucoup de calculs et une grande capacité de stockage. Enfin, pour prédire le seuil de convergence des codes turbo, nous avons appliqué la méthode de transfert d'information extrinsèque (EXIT) pour le décodeur correspondant en le traitant comme une concaténation de noeuds de variable et de contrôle.

Le brouillage coopératif est une approche qui a été proposée récemment pour améliorer la sécurité sur la base de la couche physique pour les réseaux sans fil soumis à l’écoute clandestine. Il permet d’augmenter la capacité secrète entre les utilisateurs légitimes. Alors que la source transmet son message au destinataire, des noeuds de relais coopèrent entre eux pour diffuser des signaux perturbateurs à l’espion pour l’empêcher d’écouter avec fiabilité la communication légitime. En plus, la connaissance des messages des utilisateurs légitimes permet d’interférer intelligemment l’espion. Dans le présent mémoire, on étudie plusieurs scénarios de brouillage coopératif avec NJ relais brouilleurs. Chaque scénario sera une amélioration des inconvénients détectés dans celui qui le précède. A la fin, on propose un algorithme qui garantit une liaison légitime fiable et assurer au même temps un taux sécuritaire le plus élevé possible. Cela, en se basant sur les observations des précédentes stratégies étudiées. / Cooperative jamming is an approach that has recently been proposed to improve security on the basis of the physical layer for wireless networks subject to eavesdropping. It allows an increase in the secrecy capacity between legitimate users. While a source transmits its message to its destination, relay nodes cooperate with each other to broadcast interference signals to the eavesdroppers to prevent him to make reliable observations of the legitimate communication. The knowledge of the messages of other users allows the legitimate user to interfere or jam intelligently. In this Master’s thesis, we study several cooperative interference scenarios with NJ jammers relays. Each scenario will be an improvement of the inconveniences detected in the preceding one. Finally, we propose an algorithm that ensures a reliable connection between legitimate users and at the same time ensure a safe secret rates as high as possible. This, based on observations of previous strategies studied.

Ce mémoire est consacré à l'étude de la modulation adaptative dans le contexte de communications sans fil à large bande utilisant la modulation OFDM. Cette étude est plus particulièrement centrée sur l'analyse des performances et sur l'implantation matérielle d'un modèle de système de modulation adaptative multiporteuses qui incorpore plusieurs éléments d'un système qui serait utilisé de façon pratique. Un survol des communications sans fil à large bande et de la modulation adaptative est tout d'abord fait. Un modèle de chaîne de communications utilisant la modulation adaptative multiporteuses est ensuite proposé. Ce modèle tient compte de certains phénomènes imputables à l'utilisation d'un système pratique tels que les délais de traitement et de feedback, l'estimation de canal et les erreurs dans le canal de feedback. L'impact de ces phénomènes est étudié à partir des performances obtenues. Une architecture matérielle pour une chaîne de modulation adaptative est ensuite étudiée. Cette architecture proposée est ensuite implantée en utilisant une technologie FPGA. Les performances de l'implantation matérielle de la chaîne sont ensuite obtenues par simulation accélérée par matériel.

Dans ce mémoire, on présente une nouvelle architecture d’un chandail intelligent pour surveiller la respiration en temps réel. Ce vêtement intelligent comporte une architecture qui offre une méthode de détection innovante assurant une suivie de l’activité respiratoire en continue. Tout d’abord le chandail détecte la déformation du haut du thorax pendant la respiration à l’aide d’une antenne intégrée dans le chandail. L’antenne a été conçue dans les laboratoires du centre d’optique, photonique et laser de l’université Laval. Un capteur Bluetooth intégré dans le même chandail détecte par la suite la variation du signal RSSI (indicateur d’intensité du signal reçu) et l’envoie à une unité de traitement et d’analyse de données sans fils (un ordinateur ou une tablette). Une interface d’analyse des données a été crée pour permettre la détermination du rythme respiratoire et le caractériser selon le signal de respiration reçu. En plus, le chandail intelligent est alimenté par une source d’énergie sans fils et hybride fonctionnant avec une batterie rechargeable ou par un lien inductif. Deux versions de chandail ont été testées. La première contient un seul capteur alors que la deuxième possède six capteurs positionnés sur la partie frontal du vêtement. En plus, différents paramètres ont été pris en considération durant les tests citant entre autres la morphologie, l’âge et le sexe des utilisateurs. Des tests ont démontré une détection réussie de plusieurs informations pertinentes comme les cycles de respiration (inspiration, expiration), la fréquence respiratoire et d’autres mesures statistiques pour les diagnostics. / In this thesis, we present a new architecture of a smart T-shirt to monitor breathing in real time. This smart garment has an architecture that offers an innovative detection method ensuring continuous monitoring of respiratory activity. First the T-shirt detects deformation of the upper chest during breathing using an antenna built into the T-shirt. The antenna was designed in the laboratories of the optics, photonics and laser center of Laval University. A Bluetooth sensor integrated in the same T-shirt subsequently detects the variation of the RSSI signal (indicator of received signal strength) and sends it to a wireless data processing and analysis unit (a computer or tablet). A data analysis interface has been created to allow determination of the respiratory rate and characterization according to the received breathing signal. In addition, the smart T-shirt is powered by a wireless, hybrid power source powered by a rechargeable battery or by an inductive link. Two versions of the T-shirt were tested. The first contains a single sensor while the second has six sensors positioned on the front of the garment. In addition, different parameters were taken into account during the tests, citing among others the morphology, age and sex of the users. Tests have demonstrated successful detection of several relevant information such as breathing cycles (inspiration, expiration),respiratory rate and other statistical measures for diagnosis.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2015-2016 / L’acquisition des signaux électriques provenant des neurones du cerveau permet aux neurobiologistes de mieux comprendre son fonctionnement. Dans le cadre de ce travail, de nouveaux algorithmes de compression des signaux neuronaux sont conçus et présentés. Ces nouveaux algorithmes sont incorporés dans trois nouveaux dispositifs optogénétiques sans fil miniature capable de stimuler optiquement l’activité neuronale et de transmettre sans fil les biopotentiels captés par plusieurs microélectrodes. Deux de ces systèmes sont capables de compresser les signaux provenant de deux microélectrodes ainsi que de stimuler optiquement via deux diodes électroluminescentes (DEL) haute puissance. Afin de réduire la bande passante des transmetteurs sans fil utilisés, ces deux systèmes sont dotés d’un nouvel algorithme de détection des potentiels d’actions qui génère de meilleurs taux de détection que les algorithmes existants, tout en nécessitant moins de ressources matérielles et de temps de processeur. Un troisième dispositif incorporant les algorithmes de détection et de compression fût conçu. Ce dispositif est le seul système optogénétique sans fil comportant 32 canaux de stimulation optique et 32 canaux d’enregistrement électrophysiologiques en parallèle. Il utilise une nouvelle technique de compression par ondelettes permettant d’augmenter significativement le nombre de canaux sous observation sans augmenter la consommation de l’émetteurrécepteur. Cette nouvelle méthode de compression se distingue des méthodes existantes en atteignant de meilleurs taux de compression tout en permettant de reconstruire les signaux compressés avec une meilleure qualité. Au moment de la rédaction de ce mémoire, il s’agit des premiers dispositifs optogénétiques sans fil à offrir simultanément de la stimulation optique multicanal, de l’enregistrement électrophysiologique multicanal ainsi que de la détection/compression in situ des potentiels d’actions. Grâce à leur design novateur et aux innovations apportées par les nouveaux algorithmes de traitement des signaux, les systèmes conçus sont plus légers et plus compacts que les systèmes précédents, rendant ces dispositifs indispensables afin de mener des expériences sur le cerveau de petits animaux libres de leurs mouvements. Les trois systèmes ont été validés avec grand succès par des expériences in vivo sur des souris transgéniques au Centre de Recherche de l’Institut Universitaire en Santé Mentale de Québec (CRIUSMQ). / The electrical signals acquisition from the brain’s neurons allows neuroscientists to better understand its functioning. In this work, new neural signals compression algorithms are designed and presented. These new algorithms are incorporated into three new miniature optogenetic wireless devices. These devices are capable to optically stimulate neural activity and to wirelessly transmit the biopotentials captured by several microelectrodes. Two of these systems are able to compress the signals from two microelectrodes and to stimulate optically via two high-power LED. Both systems feature a new spike detection algorithm to reduce the bandwidth used by the wireless transceiver. This new spike detection algorithm differs from existing algorithms by achieving better detection rate while using less material resources and processing time. A third device incorporating the detection and compression algorithms was designed. This device is the only optogenetic wireless system including 32 optical stimulation channels and 32 electrophysiological recording channels in parallel. This new system has the ability to compress the neural signals using a new wavelet compression technique that significantly increase the number of channels under observation without increasing the consumption of the wireless transceiver. In particular, this new compression technique differs from the existing wavelet based compression methods by achieving better compression ratio while allowing to reconstruct the compressed signals with better quality. At the time of writing this thesis, these are the first three devices that offer simultaneous multichannel optical stimulation, multichannel electrophysiological signals recording and on-the-fly spike detection. The resulting systems are more compact and lightweight than previous systems, making these devices essentials to conduct long term experiments on the brains of small freely moving animals. The three systems were validated within in vivo experiments using transgenic mice at the Centre de Recherche de l’Institut Universitaire en Santé Mentale de Québec (CRIUSMQ).

Ce travail est consacré à la théorie et aux simulations numériques des nouveaux textiles qui peuvent communiqués sans-fil et composé des antennes fibre multimatériaux. La recherche est conduite par une tentative à changer le concept de "wearables" de grands dispositifs montés sur le corps à des dispositifs cachés confortables intégrés dans vos vêtements. Les textiles RF peuvent être prévus dans divers secteur des soins de santé, pour la surveillance des enfants et des personnes âgées, dans les domaines de télémédecine, de sécurité et de la recherche et sauvetage. Les antennes RF textiles, précédemment développées dans notre groupe, sont constituées de fibre multimatériaux en incorporant une couche conductrice d'argent dans un capillaire silice de 100 µm de diamètre à l'aide de la technique de déposition de phase liquide. La structure de ces antennes portables est flexible, se conforme au corps et non invasif. Dans ce travail, la performance de deux antennes de fibre, l'antenne dipôle et boucle, sont examinés à la bande de fréquence ISM par des simulations numériques à l'aide de logiciel ANSYS HFSS dans l'espace libre et sur le corps. À cette fin, le modèle de corps humain à plusieurs couches spécifiques a été développé en s'inspirant des valeurs proposées par le FCC "Federal Communications Commission" pour assigner les propriétés diélectriques de chaque tissu et pour satisfaire toutes les mesures de sécurité. Les résultats stimulés comprennent le déplacement de fréquence de résonance, les diagrammes de rayonnement affectés, le champ de rayonnement au-dessus du corps, l'efficacité et les mesures de SAR. En outre, la séparation de corps de l'antenne et les effets météorologiques sont également examinés. Les résultats présentés sont ensuite analysés en ce qui concerne les avantages et les inconvénients des deux designs, particulièrement dans le scénario sur le corps, tel qu'une attention spéciale est accordée à la robustesse et l'immunité contre la proximité du corps humain. / This work is devoted to the theory and numerical simulations of novel wireless-communicating textiles featuring multi-material RF fiber antennas embedded into textiles. The research is driven by an attempt to change the concept of wearables from large devices mounted on the body to a hidden and comfortable wearables integrated into your clothes. RF textiles antennas are expected to find multiple applications in various sectors of healthcare, child and elderly monitoring - telemedicine and home-nursing, security, search and rescue. RF textiles antennas, previously developed in our group, are made from multi-material fiber by incorporating a conductive layer of silver within a silica capillary of 100μm diameter using liquid phase deposition technique. The structure of these wearable antennas is flexible, conform to the body, and non-invasive. In this work the performance of two fiber antennas, namely dipole and loop, is investigated at ISM-band through numerical simulations using ANSYS HFSS both in free space and on-body scenario. For this purpose, the specific multi-layer human body model was developed using the “Federal Communication Commission” guidelines to assign the dielectric properties of each tissue and to satisfy all safety regulations. Simulated results include the shifting of resonance frequency, affected radiation patterns, radiation field above the body, efficiency and SAR measurements. In addition, antenna-body-separation distance and weather effects are also investigated. Presented results are then analyzed in terms of pros and cons of the two fiber antenna designs, especially in on-body scenario, as special attention is given to the robustness and immunity against the vicinity of human body.

Ces dernières années, la supervision continue des signes vitaux des patients a été un sujet d'intérêt de plusieurs travaux de recherche surtout pour ceux qui souffrent de maladies chroniques ou qui travaillent dans des environnements hasardeux. Dans la pratique médicale moderne, le niveau d'oxygène dans le sang est un des signes vitaux primaires tels que la pression artérielle, la fréquence cardiaque, la température corporelle et le rythme respiratoire. L'oxymétrie de pouls est une technique populaire non-intrusive qui permet de diagnostiquer des problèmes liés aux systèmes respiratoire et circulatoire. Pour cette raison, elle est largement utilisée dans les soins intensifs, les salles d'opération, les soins d'urgence, la naissance et l'accouchement, les soins néonatals et pédiatriques, les études du sommeil et les soins vétérinaires. Or, pour l’oxymètre de pouls, une acquisition précise des signaux est importante pour assurer la fiabilité des mesures de la saturation d'oxygène artériel (SaO2). Dans ce cas, le positionnement des capteurs joue un rôle important car la complexité de la structure du tissu du doigt peut rendre l'effet de l'emplacement de la source lumineuse imprévisible sur la mesure du SpO2. Si tel est le cas, un faible nombre de capteurs autour du doigt pourrait perturber la trajectoire des rayons de lumière et corrompre les mesures. Les oxymètres de pouls conventionnels utilisent une pince à doigts contenant les capteurs qui utilise un seul ensemble de LED et photodétecteur (PD). En plus de l'inconvénient des pinces à doigts, le placement du capteur n'est pas corrigé et sera affecté par des artefacts de mouvement. Dans ce mémoire, nous présenterons un oxymètre qui utilise six ensembles de diodes électroluminescentes et de photo-détecteurs, répartis uniformément en anneau autour du doigt, ce qui permet d'identifier le meilleur chemin de signal, immunisant ainsi l'acquisition du signal à l'effet de position de l'anneau. En outre, pour éliminer les fils de la station de base, ce système utilise un émetteur-récepteur radio ce qui supprime les inconvénients de l'attachement. Dans cette étude de conception de preuve de concept, un prototype de cet oxymètre en anneau est réalisé avec des composants commerciaux à faible consommation de courant et le tout est montés sur une carte électronique flex-rigides qui communique avec un hôte distant par un lien sans-fil pour traiter le signal et calculer le niveau d'oxygène. / Continuous health monitoring for patients with chronic diseases or people working in high-risk environments has been an interesting topic of research in recent years. In modern medical practice, the blood oxygen level is one of the vital signs of the body alongside blood pressure, heart rate, body temperature, and breathing rate. Pulse oximeters provide early information on problems in the respiratory and circulatory systems. They are widely used in intensive care, operating rooms, emergency care, birth and delivery, neonatal and pediatric care, sleep studies, and in veterinary care. Proper signal acquisition in a pulse oximetry system is essential to monitor the arterial oxygen saturation (SaO2). Since the tissue of finger has a complicated structure, and there is a lack of detailed information on the effect of the light source and detector placement on measuring SpO2, sensor placement plays an important role in this respect. Not enough sensors placed around the finger will have an adverse effect on the light path so high signal quality may become impossible to achieve. The conventional Pulse Oximeters use a finger clip, which uses only one set of LEDs and photodetector (PD). In addition to the inconvenience of the finger clips, the placement of the sensor is not fixed and will be affected by motion artifacts. In this thesis, we present a ring-shaped oximeter that uses six sets of light emitting diodes and photodetectors, uniformly distributed around the finger to identify the best signal path, thus making the signal acquisition immune to ring position on the finger. In addition, this system uses a radio transceiver to eliminate the connection wires to a base station which removes the inconvenience of the tethering and reduce the motion artifacts. In this proof of concept study, this novel ring oximeter is implemented with commercial low power consumption off-the-shelf components mounted on a rigid-flex board that connects to a remote host for signal processing and oxygen level calculation.

À l'heure actuelle, pour le développement à long terme des réseaux sans fil la modélisation et l'estimation du canal s'avèrent très importantes. L'argument qui appuie cette affirmation, c'est que nous pouvons caractériser certains canaux dune manière utile au concepteur de système. Ce document présente une étude statistique du canal sans fil pour le système de transmission à trajets multipes ATSC (Advanced Systems Committee) DTTV (Digital Terrestrial Television). Les banques de données ATSC ont été divisées en plusieurs groupes selon les secteurs de réception et autres conditions de propagation. Nous présentons ici la procédure d'évaluation et les résultats d'expériences effectuées sur des canaux fixes et mobiles comprenant les distributions du nombre de trajets multiples et l'écart-type de l'étalement du délai. Le modèle modifié de Poisson a été appliqué pour comparaison avec le modèle statistique des trajets multiples pour chaque canal. Nous décrivons également les différentes catégories d'égaliseurs du système et comparons ainsi leurs fonctions.

Dans le domaine du sans-fil, le nombre d'usagers augmente continuellement et la gourmandise des services, en largeur de bande, prend de plus en plus d'ampleur. De nouvelles techniques sont donc nécessaires pour réduire le plus possible l'utilisation du spectre engorgé. Une des techniques envisageables est celle proposée par M. Sébastien Roy de l'Université Laval. Elle consiste à réaliser un récepteur qui, à partir d'un réseau d'antennes, en sélectionne un sous-ensemble qui sera optimal pour un usager en particulier. Chaque usager aura donc son propre sous-ensemble optimal. Pour le déterminer, il suffit de trouver les antennes qui minimisent les interférents et augmentent le rapport signal sur bruit. Ce mémoire décrit l'implantation sur puce d'une partie de ce brevet, c'est-à-dire l'estimateur du canal à long terme. La stratégie de conception est centrée sur la réduction de l'utilisation des ressources matérielle de la puce. De plus, le design doit être totalement paramétrisable puisque plusieurs données ne sont pas encore connues.