Les travaux menés dans cette thèse s’intéressent particulièrement à la mesure de la bande passante disponible qui est un paramètre très important pour le bon fonctionnement de plusieurs applications réseaux et dont la détermination avec précision reste jusqu’à aujourd’hui un défi à relever. Ces travaux visent donc à améliorer les techniques de mesure de ce paramètre en proposant un nouveau modèle déterministe basé sur la technique de la paire de paquets. Ce dernier est implémenté dans un nouvel outil de mesure appelé IGMPS. Les test expérimentaux visant à évaluer les performances de cette outil ont montré que ce dernier permet de mesurer la bande passante disponible avec une très grande précision qui dépasse largement celle offerte par les autres outils existants. Par ailleurs, une analyse de sensibilité et un calcul d’incertitudes sur les modèles étudiés ont montré que les erreurs dues à l’estampillage des paquets sondes au niveau de l’émetteur et du récepteur sont principalement à l’origine de l’imprécision des mesures fournies par les différents outils de mesure de la bande passante disponible. / This thesis work is focused on the end-to-end available bandwidth measurement that has attracted extensive attentions this last decade. This parameter is useful for several network applications, however, its measurement with good accuracy still stays a challenge to take up. To improve the performance of the available bandwidth measurement techniques, we developed a new deterministic model of packet pair delays that takes into account the probing packet size parameter; and implemented it in a new measurement tool called IGMPS. Through measurements on several network testbed configurations, we evaluated IGMPS and found that it provides available bandwidth measurements with high accuracy. Using sensitivity and uncertainty analysis to study the proposed model, we investigated the sources of observed errors on the measurement tools. We found that these errors are likely to be inherent in delay measurement. Indeed, the timestamping operations at the sender end the receiver are mainly at the origin of the inaccuracy of the estimates provided by the available bandwidth measurement tools.

Cette thèse présente l'étude des photodiodes à avalanche de structure SAGM, à zone d'avalanche en Al(Ga)InAs et à zone d'absorption en GaInAs réalisées sur substrat InP. Ces APD visent deux types d'applications: les télécommunications optiques pour les réseaux métro/accès à 10Gb/s et la détection en espace libre pour la profilométrie de type LIDAR. Tout d'abord, la mesure des coefficients d'ionisation de différents composés Aluminium a orienté notre choix du matériau d'avalanche vers l'AlInAs qui possède le rapport des coefficients d'ionisation le plus élevé. Ensuite, les mesures et les simulations du courant d'obscurité nous ont permis d'une part de déterminer son origine et de le réduire, et d'autre part, d'établir un modèle de la photodiode (courant d'obscurité, gain et bande passante) que nous avons validé grâce à l'étude de différentes structures verticales et de différentes géométries de diodes. Enfin, la caractérisation des APD réalisées a démontré simultanément un faible courant d'obscurité multiplié lobs.M = 2nA, une responsivité élevée R0(M = 1) = 0,9A.W-1 à 1,55µm, un faible facteur d'excès de bruit f(M = 10) = 3,5 et un produit gainxbande passante élevé G x B = 150GHz qui placent nos composants au meilleur niveau de l'état de l'art. Les mesures du taux d'erreur et de la sensibilité de photorécepteurs utilisant nos diodes valident l'amélioration qu'apportent ces APD par rapport à la concurrence. De plus, les premières mesures de sensibilité en espace libre confirment l'intérêt porté à ce type de photodiodes. / This thesis presents the study of SAGM avalanche photodiodes, with a thin Al(Ga)InAs avalanche layer and a GaInAs absorption layer, grown on InP substrate. These APDs target two applications : optical telecommunications for 10Gb/s metro/access networks and free space detection for LIDAR profilometry. First, the ionization coefficients measurements on several Aluminium compound materials lead us to choose AlInAs as avalanche material because of its high ionization coefficients ratio. Then dark current measurements and simulations allow us on one hand, to find its origin and to reduce its level, and on the other hand, to make out a photodiode model (dark current, multiplication factor and bandwidth) which was validated through the study of various APD vertical structures and diode geometries. Finally, the APDs characterization simultaneously demonstrates a low multiplied dark current Id,M = 2nA, a high responsivity R0(M = 1) = 0,9A.W-1 at 1,55µm, a low excess noise factor f(M = 10) = 3,5 and a high gain×bandwidth product G × B = 150GHz, which put our components at the best state of the art level. System measurements such as bit error rate or sensitivity carried out on photoreceivers using our diodes validate the improvement brought by these APDs compared to competitors. Moreover, the early free space sensitivity measurements confirm the interest showed to this kind of photodiodes.

Dans ce document, nous proposons un algorithme heuristique efficace pour résoudre le problème de partage spectral dynamique dans les réseaux de radios cognitives. Cet algorithme fonctionne selon les principes du paradigme de transmissions cognitives simultanées (en anglais underlay) où des utilisateurs primaires et des utilisateurs secondaires transmettent simultanément sur la même bande spectrale. L'algorithme proposé est basé sur un modèle théorique de graphe. Premièrement., le réseau de radios cognitives est modélisé en un graphe dont les sommets possèdent des poids. Le problème de partage spectral se réduit à colorier les sommets du graphe. Les décisions de partage spectral sont prises au niveau d'un serveur spectral qui coordonne les transmissions secondaires afin de trouver les paires (transmission secondaire/bande spectrale) qui maximisent le débit global du système. Le serveur spectral est aussi responsable de protéger les transmissions des utilisateurs primaires de l'interférence causée par les transmissions des utilisateurs secondaires. La réussite de cette tâche se base sur une allocation appropriée des puissances de transmission pour les utilisateurs secondaires. Grâce à des simulations bien élaborées, nous démontrons que les performances de l'algorithme proposé en terme de débit global sont proches de celles de l'algorithme optimal. Les performances de notre algorithme illustrent le gain en performances dû à une augmentation de la diversité de sélection de bande passante et à une diversité de sélection d'utilisateurs secondaires. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : algorithme de partage spectral, réseau de radios cognitives, théorie des graphes, systèmes de communication sans fil, simulation des réseaux.

La problématique traitée dans la thèse consiste à concevoir des convertisseurs très larges bandes pour les applications stations de base. Le choix d'une architecture à entrelacement temporel a été fait et permet d’augmenter la vitesse des convertisseurs tout en ayant un contrôle sur la consommation. Cependant, les canaux constituant cette architecture évoluent différemment à des variations d'environnement. En conséquence, des erreurs d’appariement entre les canaux dégradent les performances du convertisseur parallèle. Les erreurs les plus connues sont : l’offset, le gain, l’erreur de phase des horloges d’échantillonnage qui sont largement traitées dans la littérature et enfin, l'erreur de bande passantes entre les filtres d'entrées des convertisseurs. Les travaux de la thèse ont permis de proposer des solutions d'estimation et de correction de cette erreur de bande passante afin d'améliorer les performance en linéarité du convertisseur. De plus les techniques de calibrage proposées sont validées à l'aide de circuits réels. / Time-interleaved converter (ti-adc) is an efficient way to increase the speed while maintaining a good accuracy. it consists of the parallelization of several channels; each one running at lower speed. The benefit of this approach is to increase the conversion bandwidth without increasing the power. however, mismatches between the channels cause errors at the digital output and degrade the linearity and the resolution of the system. Gain, offset and clock skew errors are widely treated and we have been interested on bandwidth mismatch error which appears at high frequencies. The goal of the thesis is to develop and implement background calibration techniques for bandwidth mismatch error in a high speed ti-adc (up to 500 msps) in order to achieve a 90 db of sfdr for high input frequencies (up to 385mhz) and up to 94 db at low frequencies. An analog correction solution based on randomization was proposed and a new estimation technique based on gain extraction was implemented and validated for wideband signal.

Les systèmes de stockage actuels font face à une explosion des données à gérer. A l'échelle actuelle, il serait illusoire d'imaginer une unique entité centralisée capable de stocker et de restituer les données de tous ses utilisateurs. Bien que du point de vue de l'utilisateur, le système de stockage apparaît tel un unique interlocuteur, son architecture sous-jacente est nécessairement devenue distribuée. En d'autres termes, le stockage n'est plus assigné à un équipement centralisé, mais est maintenant distribué parmi de multiples entités de stockage indépendantes, connectées via un réseau. Par conséquent, la bande passante inhérente à ce réseau devient une ressource à prendre en compte dans le design d'un système de stockage distribué. En effet, la bande passante d'un système est intrinsèquement une ressource limitée, qui doit être convenablement gérée de manière à éviter toute congestion du système. Cette thèse se propose d'optimiser l'utilisation de la bande passante dans les systèmes de stockage distribués, en limitant l'impact du churn et des défaillances. L'objectif est double, le but est d'une part, de maximiser la bande passante disponible pour les échanges de données, et d'une autre part de réduire la consommation de bande passante inhérente aux opérations de maintenance. Pour ce faire, nous présentons trois contributions distinctes. La première contribution présente une architecture pair-à-pair hybride qui tient compte de la topologie bas-niveau du réseau, c'est à dire la présence de gateways entre les utilisateurs et le système. La seconde contribution propose un mécanisme de timeout adaptatif au niveau utilisateur, basé sur une approche Bayésienne. La troisième contribution décrit un protocole permettant la réparation efficace de données encodées via des codes à effacement. Enfin, cette thèse se conclut sur la possibilité d'utiliser des techniques d'alignement d'interférence, communément utilisées en communication numérique afin d’accroître l'efficacité des protocoles de réparation de données encodées. / Modern storage systems have to face the surge of the amount of data to handle. At the current scale, it would be an illusion to believe that a single centralized storage device is able to store and retrieve all its users' data. While from the user's viewpoint the storage system remains a single interlocutor, its underlying architecture has become necessarily distributed. In others words, storage is no longer assigned to a centralized storage equipment, but is now distributed between multiple independent storage devices, connected via a network. Therefore, when designing networked storage systems, bandwidth should now be taken into account as a critical resource. In fact, the bandwidth of a system is intrinsically a limited resource which should be handled with care to avoid congestion. The focus of this thesis is to optimize the available bandwidth of distributed storage systems, lowering the impact of churn and failures. The objective is twofold, on the one hand the purpose is to increase the available bandwidth for data exchanges and on the other hand, to decrease the amount of bandwidth consumed by maintenance. We present three distinct contributions in this manuscript. The first contribution of this thesis presents an hybrid peer-to-peer architecture taking into account the low level topology of the network i.e., the presence of gateways between the system and the users. The second contribution proposes an adaptive and user-level timeout mechanism, based on a Bayesian approach. The third contribution describes a repair protocol especially designed for erasure-coded stored data. Finally, this thesis concludes on the possibility of employing interference alignment techniques in order to increase the efficiency of repair protocols especially designed for encoded data.

Les systèmes de stockage actuels font face à une explosion des données à gérer. A l'échelle actuelle, il serait illusoire d'imaginer une unique entité centralisée capable de stocker et de restituer les données de tous ses utilisateurs. Bien que du point de vue de l'utilisateur, le système de stockage apparaît tel un unique interlocuteur, son architecture sous-jacente est nécessairement devenue distribuée. En d'autres termes, le stockage n'est plus assigné à un équipement centralisé, mais est maintenant distribué parmi de multiples entités de stockage indépendantes, connectées via un réseau. Par conséquent, la bande passante inhérente à ce réseau devient une ressource à prendre en compte dans le design d'un système de stockage distribué. En effet, la bande passante d'un système est intrinsèquement une ressource limitée, qui doit être convenablement gérée de manière à éviter toute congestion du système. Cette thèse se propose d'optimiser l'utilisation de la bande passante dans les systèmes de stockage distribués, en limitant l'impact du churn et des défaillances. L'objectif est double, le but est d'une part, de maximiser la bande passante disponible pour les échanges de données, et d'une autre part de réduire la consommation de bande passante inhérente aux opérations de maintenance. Pour ce faire, nous présentons trois contributions distinctes. La première contribution présente une architecture pair-à-pair hybride qui tient compte de la topologie bas-niveau du réseau, c'est à dire la présence de gateways entre les utilisateurs et le système. La seconde contribution propose un mécanisme de timeout adaptatif au niveau utilisateur, basé sur une approche Bayésienne. La troisième contribution décrit un protocole permettant la réparation efficace de données encodées via des codes à effacement. Enfin, cette thèse se conclut sur la possibilité d'utiliser des techniques d'alignement d'interférence, communément utilisées en communication numérique afin d'accroître l'efficacité des protocoles de réparation de données encodées.

Les travaux menés dans cette thèse s'intéressent particulièrement à la mesure de la bande passante disponible qui est un paramètre très important pour le bon fonctionnement de plusieurs applications réseaux et dont la détermination avec précision reste jusqu'à aujourd'hui un défi à relever. Ces travaux visent donc à améliorer les techniques de mesure de ce paramètre en proposant un nouveau modèle déterministe basé sur la technique de la paire de paquets. Ce dernier est implémenté dans un nouvel outil de mesure appelé IGMPS. L'évaluation de performances de cet outil ont montré que ce dernier permet de mesurer la bande passante disponible avec une très grande précision. Par ailleurs, une analyse de sensibilité et un calcul des incertitudes sur les modèles étudiés ont montré que les erreurs dues à l'estampillage des paquets sondes au niveau de l'émetteur et du récepteur sont principalement à l'origine de l'imprécision des mesures fournies par les différents outils de mesure de la bande passante isponible.

La problématique traitée dans la thèse consiste à concevoir des convertisseurs très larges bandes pour les applications stations de base. Le choix d'une architecture à entrelacement temporel a été fait et permet d'augmenter la vitesse des convertisseurs tout en ayant un contrôle sur la consommation. Cependant, les canaux constituant cette architecture évoluent différemment à des variations d'environnement. En conséquence, des erreurs d'appariement entre les canaux dégradent les performances du convertisseur parallèle. Les erreurs les plus connues sont : l'offset, le gain, l'erreur de phase des horloges d'échantillonnage qui sont largement traitées dans la littérature et enfin, l'erreur de bande passantes entre les filtres d'entrées des convertisseurs. Les travaux de la thèse ont permis de proposer des solutions d'estimation et de correction de cette erreur de bande passante afin d'améliorer les performance en linéarité du convertisseur. De plus les techniques de calibrage proposées sont validées à l'aide de circuits réels.

Les télécommunications sans fil ont connu ces dernières années un immense succès à tel point que le spectre des fréquences est désormais surchargé et nécessite la disponibilité de nouvelles ressources. Pour répondre à ce besoin, des techniques de réutilisation dynamique du spectre ont alors vu le jour sous la dénomination de radio cognitive. Elles consistent à partager de manière opportuniste et efficace certaines fréquences ayant été initialement allouées à d'autres systèmes. Cette thèse se place dans le contexte de réseaux sans fil tactiques hétérogènes comportant des segments de radios cognitives. La difficulté provient alors de la garantie de qualité de service de bout en bout : respect du débit négocié, du délai et de la gigue. Nous nous sommes tout d'abord intéressés au contrôle d'admission dans ce type de réseaux en proposant une méthode de calcul de bande passante résiduelle de bout en bout s'appuyant sur un algorithme de complexité polynomiale et pouvant être implanté de manière distribuée. Nous nous sommes ensuite concentrés sur le routage en proposant une nouvelle métrique tenant compte des particularités de ce type de réseaux. Enfin, nous nous focalisons sur la thématique du routage à contraintes multiples en étudiant et implantant en environnement réel des algorithmes d'approximation proposés dans la littérature. / The unprecedented success of wireless telecommunication systems has resulted in the wireless spectrum becoming a scarce resource. Cognitive Radio systems have been proposed as the enabling technology allowing unlicensed equipments to opportunistically access the licensed spectrum when not in use by the licensed users. The focus of this thesis is on heterogeneous tactical networks deploying cognitive radios in parts or in their entirety. Such networks can be organized in multiple sub-networks, each characterized by a specific topology, medium access scheme and spectrum access policy. As a result, providing end-to-end Quality of Service guarantees in terms of bandwidth, delay and jitter, emerges as a key challenge. We first address the admission control in multi-hop cognitive radio networks and propose a polynomial time algorithm that can be implemented in a distributed fashion for estimating the end-to-end bandwidth. Then, we focus on routing and propose a new metric that takes into account the specifics of such networks. Finally, as quality of service requirements can be expressed using multiple metrics, we turn our attention to multi-constrained routing and implement on a real testbed low complexity approximation algorithms.

L'objectif de la thèse est l'élaboration de lois de commande de haute performance et leur validation en temps réel sur une plateforme expérimentale 3D de nano-positionnement à base de courant à effet tunnel, développée au laboratoire GIPSA-lab. Elle s'inscrit donc dans le cadre des systèmes micro-/nano-mécatronique (MEMS), et de la commande. Plus précisément, le principal enjeu considéré est de positionner la pointe métallique à effet tunnel (comme en microscopie à effet tunnel STM) contre la surface métallique en utilisant des actionneurs piézoélectriques en X, Y et Z et un micro-levier (comme en microscopie à force atomique AFM) actionné électrostatiquement en Z avec une grande précision et une bande passante élevée. Cependant, la présence de différents effets indésirables apparaissant à cette petite échelle (comme le bruit de mesure, des non-linéarités de natures différentes, les couplages, les vibrations) affectent fortement la performance globale du système 3D. En conséquence, une commande de haute performance est nécessaire. Pour cela, un nouveau modèle 3D du système a été développé et des méthodes de contrôle appropriées pour un tel système ont été élaborées. Tout d'abord l'accent est mis sur de positionnement selon les axes X et Y. Les effets d'hystérésis et de fluage non linéaires présents dans les actionneurs piézoélectriques ont été compensés et une comparaison entre les différentes méthodes de compensation est effectuée. Des techniques modernes de commande robuste SISO et MIMO sont ensuite utilisées pour réduire les effets des vibrations piézoélectriques et des couplages entre les axes X et Y. Le mouvement horizontal est alors combiné avec le mouvement vertical (Axe Z) et une commande du courant tunnel et du micro-levier. Des résultats expérimentaux illustrent le nano positionnement 3D de la pointe, et des résultats de simulation pour la reconstruction de la topographie de la surface ainsi que le positionnement du micro-levier à base d'un modèle multi-modes. / The objective of this thesis was to elaborate high performance control strategies and their real-time validation on a tunneling current-based 3D nanopositioning system developed in GIPSA-lab. The thesis lies in the domain of micro-/nano mechatronic systems (MEMS) focused on applications of fast and precise positioning and scanning tunneling microscopy (STM). More precisely, the aim is to position the metallic tunneling tip (like in STM) over the metallic surface using piezoelectric actuators in X, Y and Z directions and actuated micro-cantilever (like in Atomic Force Microscope AFM), electrostatically driven in Z direction, with high precision, over possibly high bandwidth. However, the presence of different adverse effects appearing at such small scale (e.g. measurement noise, nonlinearities of different nature, cross-couplings, vibrations) strongly affect the overall performance of the 3D system. Therefore a high performance control is needed. To that end, a novel 3D model of the system has been developed and appropriate control methods for such a system have been elaborated. First the focus is on horizontal X and Y directions. The nonlinear hysteresis and creep effects exhibited by piezoelectric actuators have been compensated and a comparison between different compensation methods is provided. Modern SISO and MIMO robust control methods are next used to reduce high frequency effects of piezo vibration and cross-couplings between X and Y axes. Next, the horizontal motion is combined with the vertical one (Z axis) with tunneling current and micro-cantilever control. Illustrative experimental results for 3D nanopositioning of tunneling tip, as well as simulation results for surface topography reconstruction and multi-mode cantilever positioning, are finally given.