Thèse (Ph.D.)--Université Laval, 2003. / Bibliogr.: f. 142-144. Publié aussi en version électronique.

L'utilisation répandue des smartphones dans notre vie quotidienne et l'essor technologique que connait le monde aujourd'hui -offrant l'accès mobile à très haut débit- ont exponentiellement augmenté la demande sur les services de vidéo streaming mobile, ce qui justifie la tendance à explorer de nouvelles approches pour la distribution des contenus média. Afin d'assurer une qualité de streaming constante et acceptable, la majorité des approches proposent aujourd'hui d'adapter la distribution des flux média au contexte de l'utilisateur. Dans le but de garder l'utilisateur le plus longtemps connecté à sa session de streaming, ces approches s'intéressent plus particulièrement à l'amélioration de sa perception de la vidéo. Ce qui justifie l'intérêt croissant accordé à l'étude la qualité d'expérience (QoE). Pour assurer une bonne QoE, les solutions de vidéo streaming mobile exigent la connaissance au préalable du contexte de l'utilisateur, comme par exemple la capacité de son lien physique ou la disponibilité de sa bande passante. L'acquisition de telles informations contextuelles est devenue possible aujourd'hui grâce à l'utilisation des capteurs sans fils dans les appareils mobiles et à l'existence de plusieurs applications intelligentes dédiées, le principe étant majoritairement d'exploiter la forte corrélation entre le contexte de l'utilisateur et sa position géographique. Pour faciliter l'étude du contexte de l'utilisateur, plusieurs cartes radio ont été conçues, permettant le traçage spatio-temporel des caractéristiques radio comme par exemple le débit moyen ou la force moyenne du signal. En outre, plusieurs études menées sur les modèles de mobilité des usagers ont exhibé une quasi-régularité spatio-temporelle dans leurs trajets quotidiens, soit en prenant les transports publics ou en allant vers des endroits fréquemment visités. Couplés avec les cartes radio, ces études permettent une haute précision dans la prédiction du contexte de l'utilisateur le long de son trajet. Dans cette thèse, nous nous intéressons à analyser l'impact de l'adaptation du service vidéo streaming au contexte de l'utilisateur sur sa QoE finale. Nous commençons par proposer CAMS (Context Aware Mode Switching), un mécanisme d'allocation de ressources qui dépend du contexte et qui s'applique à la distribution du vidéo streaming réel (non-adaptatif), pour assurer le minimum d'interruptions de vidéo. CAMS est conçu pour être déployé dans une topologie de réseau spécifique avec un modèle de mobilité particulier. Par la suite, nous explorons l'impact de la connaissance à l'avance du débit futur de l'utilisateur sur l'adaptation de la qualité de sa vidéo et sur le coût de sa transmission dans un contexte de streaming adaptatif. Nous proposons NEWCAST (aNticipating qoE With threshold sCheme And aScending biTrate levels), un algorithme proactif pour l'ajustement du coût et l'adaptation de la qualité sous réserve d'une prédiction parfaite du débit. Nous étendons cette étude, dans un deuxième temps, pour le cas où la prédiction du débit est imparfaite. Nous proposons, donc, d'autres algorithmes adaptatifs en nous inspirant de l'approche de NEWCAST. Pour étudier la faisabilité de ces algorithmes sur le plan pratique, nous menons quelques expérimentations dans un environnement émulé à l'aide du lecteur média DASH-IF-Reference. Finalement, nous explorons l'idée de coupler la connaissance parfaite du débit futur de l'utilisateur avec l'usage d'un mécanisme d'apprentissage automatique, pour améliorer la QoE dans un contexte de streaming adaptatif. Nous proposons, donc, un système à boucle fermée, basé sur le retour des utilisateurs, pour apprendre progressivement leurs préférences et pour optimiser adéquatement la transmission des futures vidéos. Ce système est particulièrement conçu pour être utilisé dans des populations hétérogènes avec des profils de QoE différents et inconnus à l'avance. / The strong emergence of smartphones on human daily life as well as the highbroadband access supplied by operators have triggered pervasive demand on videostreaming mobile services, requiring the exploration of novel approaches on videocontent delivery. To afford video streaming services at sustainable quality, the idea of adjusting the streaming to the time-varying users’ contexts has been actively investigatedduring the recent years. Since the users’ perceptions on the video qualitydirectly impact their engagement in video streaming sessions, many interests havebeen accorded to the user’s Quality of Experience (QoE).Today streaming solutions mostly rely on the user’s contextual information suchas his link capacity or his available bandwidth to provide an acceptable final QoE.Such contextual information can be easily acquired thanks to the existence of wirelesssensors and dedicated smart applications on today mobile devices. At the core, liesthe idea of exploiting the strong correlation between users’ locations and contexts. Tothat end, radio maps with historical average signal strength have been geographicallymapped. Various studies on users’ mobility patterns also showed that people dailyroutes exhibit a high degree of spatial and temporal regularity, especially on publictransportation or on road ways to/from frequently visited places. Coupled with radiomaps, these mobility patterns can give high accuracy on context predictability alongusers’ trips.In this thesis, we analyse the impact of adapting video streaming to the user’scontext on the final QoE.We start by proposing CAMS (Context Aware Mode Switching),a context-aware resource allocation mechanism, for real (i.e, non adaptive) videostreaming delivery to reduce the number of video stalling. CAMS is designed to beapplied in a particular network topology under a particular mobility of users. Then,we explore the impact of knowing the future throughput variations on video quality adaptation and delivery cost in adaptive video streaming. We propose NEWCAST(aNticipating qoE With threshold sCheme And aScending biTrate levels) as a proactivealgorithm for cost adjustment and quality adaptation under the assumption of aperfect throughput estimation. We then extend the study to the case where throughputprediction errors may exist and propose a bench of adaptive algorithms inspiredfrom NEWCAST. To explore the feasibility of implementing these algorithms in realworld streaming, we conduct some experiments with the DASH-If Reference playerin an emulated environment. Finally, we explore the impact of knowing the futurethroughput variations when exploited with machine learning on the global QoE enhancementin adaptive video streaming. We propose a closed-loop framework basedon users’ feedbacks to progressively learn their QoE profiles and to fittingly optimizevideo deliveries. This framework is in particular suited for heterogenous populationswhere the QoE profiles of users are quite different and unknown in advance.

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.

Le déploiement des réseaux de senseurs sans fil (WSN : Wireless Sensor Network) soulève un certain nombre de défis liés à la configuration des senseurs, la gestion des ressources et à l'implémentation d'applications. Les travaux récents ont montré la nécessité d'utiliser ces réseaux pour la détection des incendies. Toutefois, pour signaler la présence de ces derniers, il faut s'assurer de mesurer les bons indices, tels que la température, l'humidité et l'intensité lumineuse. Ce mémoire présente la mise en place d'un WSN capable de recueillir et de traiter des informations provenant de l'environnement, comme la température. Dans ce contexte, nous caractérisons d'abord les applications des WSNs. Ensuite, nous identifions les principaux paramètres sur lesquels se basent les applications des WSNs pour détecter les incendies. Finalement, afin d'évaluer l'impact du vent sur les températures recueillies, nous présentons les différentes étapes de la mise en {\oe}uvre d'un WSN pour la détection d'un incendie, ainsi que les expériences réalisées et les résultats obtenus. L'analyse des résultats montre que la vitesse et la direction du vent ont un impact important sur les températures recueillies par le WSN. Il est donc important d'en tenir compte pour pouvoir détecter à temps un incendie. / The deployment of wireless sensor networks (WSN: Wireless Sensor Network) raises a number of challenges related to the configuration of sensors, resource management and implementation of applications. Recent researches proved the necessary use of these networks to detect fires. However, to indicate their presence, make sure to measure the right indicators, such as temperature, humidity and light intensity. This report presents the setting of a WSN that can collect and process information from the environment such as temperature. In this context, we characterize the first; applications of WSNs. Then we identify the main parameters on which the applications of WSNs are based to detect fires. Finally, to assess the impact of wind on temperature gathered, we present the different stages of the setting of a WSN for detecting a fire, including the experiences and results. Analysis of the results shows that the speed of wind and its direction have both a significant impact on temperatures collected by the WSN. It is therefore important to take in account the wind for detecting fire in time.

Le multiplexage généralisé par répartition en fréquence (GFDM), une méthode de traitement par blocs de modulation multiporteuses non orthogonales, est une candidate prometteuse pour les technologies de forme d'onde pour les systèmes sans fil au-delà de la cinquième génération (5G). La capacité du GFDM à ajuster de manière flexible la taille du bloc et le type de filtres de mise en forme des impulsions en fait une méthode appropriée pour répondre à plusieurs exigences importantes, comme une faible latence, un faible rayonnement hors bande (OOB) et des débits de données élevés. En appliquant aux systèmes GFDM la technique des systèmes à entrées multiples et sorties multiples (MIMO), la technique de MIMO massif ou des codes de contrôle de parité à faible densité (LDPC), il est possible d'améliorer leurs performances. Par conséquent, l'étude de ces systèmes combinés sont d'une grande importance théorique et pratique. Dans cette thèse, nous étudions les systèmes de communication sans fil basés sur le GFDM en considérant trois aspects. Tout d'abord, nous dérivons une borne d'union sur le taux d'erreur sur les bits (BER) pour les systèmes MIMO-GFDM, technique qui est basée sur des probabilités d'erreur par paires exactes (PEP). La PEP exacte est calculée en utilisant la fonction génératrice de moments(MGF) pour les détecteurs à maximum de vraisemblance (ML). La corrélation spatiale entre les antennes et les erreurs d'estimation de canal sont prises en compte dans l'environnement de canal étudié. Deuxièmement, les estimateurs et les précodeurs de canal de faible complexité basés sur une expansion polynomiale sont proposés pour les systèmes MIMO-GFDM massifs. Des pilotes sans interférence sont utilisés pour l'estimation du canal basée sur l'erreur quadratique moyenne minimale(MMSE) pour lutter contre l'influence de la non-orthogonalité entre les sous-porteuses dans le GFDM. La complexité de calcul cubique peut être réduite à une complexité d'ordre au carré en utilisant la technique d'expansion polynomiale pour approximer les inverses de matrices dans l'estimation MMSE conventionnelle et le précodage. De plus, nous calculons les limites de performance en termes d'erreur quadratique moyenne (MSE) pour les estimateurs proposés, ce qui peut être un outil utile pour prédire la performance des estimateurs dans la région de Eₛ/N₀ élevé. Une borne inférieure de Cramér-Rao(CRLB) est dérivée pour notre modèle de système et agit comme une référence pour les estimateurs. La complexité de calcul des estimateurs de canal proposés et des précodeurs et les impacts du degré du polynôme sont également étudiés. Enfin, nous analysons les performances de la probabilité d'erreur des systèmes GFDM combinés aux codes LDPC. Nous dérivons d'abord les expressions du ratio de vraisemblance logarithmique (LLR) initiale qui sont utilisées dans le décodeur de l'algorithme de somme de produits (SPA). Ensuite, basé sur le seuil de décodage, nous estimons le taux d'erreur de trame (FER) dans la région de bas E[indice b]/N₀ en utilisant le BER observé pour modéliser les variations du canal. De plus, une borne inférieure du FER du système est également proposée basée sur des ensembles absorbants. Cette borne inférieure peut agir comme une estimation du FER dans la région de E[indice b]/N₀ élevé si l'ensemble absorbant utilisé est dominant et que sa multiplicité est connue. La quantification a également un impact important sur les performances du FER et du BER. Des codes LDPC basés sur un tableau et construit aléatoirement sont utilisés pour supporter les analyses de performances. Pour ces trois aspects, des simulations et des calculs informatiques sont effectués pour obtenir des résultats numériques connexes, qui vérifient les méthodes proposées. / $8 372162\u $a Generalized frequency division multiplexing (GFDM) is a block-processing based non-orthogonal multi-carrier modulation scheme, which is a promising candidate waveform technology for beyond fifth-generation (5G) wireless systems. The ability of GFDM to flexibly adjust the block size and the type of pulse-shaping filters makes it a suitable scheme to meet several important requirements, such as low latency, low out-of-band (OOB) radiation and high data rates. Applying the multiple-input multiple-output (MIMO) technique, the massive MIMO technique, or low-density parity-check (LDPC) codes to GFDM systems can further improve the systems performance. Therefore, the investigation of such combined systems is of great theoretical and practical importance. This thesis investigates GFDM-based wireless communication systems from the following three aspects. First, we derive a union bound on the bit error rate (BER) for MIMO-GFDM systems, which is based on exact pairwise error probabilities (PEPs). The exact PEP is calculated using the moment-generating function (MGF) for maximum likelihood (ML) detectors. Both the spatial correlation between antennas and the channel estimation errors are considered in the investigated channel environment. Second, polynomial expansion-based low-complexity channel estimators and precoders are proposed for massive MIMO-GFDM systems. Interference-free pilots are used in the minimum mean square error (MMSE) channel estimation to combat the influence of non-orthogonality between subcarriers in GFDM. The cubic computational complexity can be reduced to square order by using the polynomial expansion technique to approximate the matrix inverses in the conventional MMSE estimation and precoding. In addition, we derive performance limits in terms of the mean square error (MSE) for the proposed estimators, which can be a useful tool to predict estimators performance in the high Eₛ/N₀ region. A Cramér-Rao lower bound (CRLB) is derived for our system model and acts as a benchmark for the estimators. The computational complexity of the proposed channel estimators and precoders, and the impacts of the polynomial degree are also investigated. Finally, we analyze the error probability performance of LDPC coded GFDM systems. We first derive the initial log-likelihood ratio (LLR) expressions that are used in the sum-product algorithm (SPA) decoder. Then, based on the decoding threshold, we estimate the frame error rate (FER) in the low E[subscript b]/N₀ region by using the observed BER to model the channel variations. In addition, a lower bound on the FER of the system is also proposed based on absorbing sets. This lower bound can act as an estimate of the FER in the high E[subscript b]/N₀ region if the absorbing set used is dominant and its multiplicity is known. The quantization scheme also has an important impact on the FER and BER performances. Randomly constructed and array-based LDPC codes are used to support the performance analyses. For all these three aspects, software-based simulations and calculations are carried out to obtain related numerical results, which verify our proposed methods.

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.