Techn. Universiẗat, Diss., 2004--Berlin.

Stuttgart, Univ., Diss., 2008.

Techn. Universiẗat, Diss., 2002--Berlin.

L'hétérogénéité et l’irrégularité croissante des déploiements des réseaux sans fil de nouvelles générations soulèvent des défis importants dans l’évaluation de performances de ces réseaux. Les modèles classiques s’appuyant sur des modèles hexagonaux pour décrire les emplacements géographiques des nœuds de transmission sont difficilement adaptables à ces réseaux. Dans ce contexte, il a été proposé un nouveau paradigme de modélisation des réseaux sans fil qui s’appuie sur les processus ponctuels de Poisson (PPP), et de manière générale sur la géométrie stochastique. L'analyse, au travers de ces outils mathématiques, présente une complexité indépendante de la taille du réseau, et permet d’estimer avec précision des quantités pratiques liées aux performances des réseaux cellulaires. Cette thèse a porté sur la faisabilité mathématique de l'approche fondée sur les PPP en proposant de nouvelles méthodes mathématiques d’approximations justes incorporant des modèles de propagation du canal radio. Dans un premier temps, un nouveau cadre mathématique, considéré comme une approche Equivalent-in-Distribution (EiD), a été proposée pour le calcul exact de la probabilité d'erreur dans les réseaux cellulaires. L'approche proposée, s’appuyant donc sur la géométrie aléatoire et des modèles spatiaux, montre une complexité faible en terme d’évaluation numérique et est applicable à un grand nombre de configurations MIMO pour lesquelles nous considérons différentes techniques de modulation et techniques de récupération du signal. Dans un deuxième temps, nous étudions les performances des réseaux cellulaires en présence de relais, où trois processus ponctuels de Poisson modélisent respectivement les nœuds relais, les stations de base, et les terminaux mobiles. Pour ce modèle, nous avons considéré des critères souples d'association. Le cadre mathématique proposé et les résultats associés ont montré que les performances dépendent fortement des exposants des fonctions d’atténuation sur les deux premiers sauts sans fil. Nous montrons aussi qu’une mauvaise configuration du réseau peut amener à des gains négligeables de l’utilisation de cette technique. Enfin, nous considérons la modélisation des réseaux cellulaires au travers d’un PPP et d’un modèle unifié d'atténuation de signal généralisée qui prend en compte deux types de liaisons physiques : line-of-sight (LOS) et non-line-of-sight (NLOS). Un modèle de complexité réduite décrivant les propriétés de la liaison radio a aussi été proposée et permet de prendre en compte dans nos calculs un grand nombre de modèle radio proposés dans la littérature. Les résultats montrent, entre autres, qu’une densité optimale pour le déploiement des BS existe lorsque les liens LOS/NLOS sont classés en fonction de leur charge. Nous comparons nos résultats, s’appuyant donc sur un PPP pour modéliser la position des stations de bases et notre modèle de canal radio, avec des simulations de Monte Carlo décrivant des déploiements réels de stations de bases et un modèle de type blocages de construction empiriques. Une bonne correspondance est observée. / The increasing heterogeneity and irregular deployment of the emerging wireless networks give enormous challenges to the conventional hexagonal model for abstracting the geographical locations of wireless transmission nodes. Against this backdrop, a new network paradigm by modeling the wireless nodes as a Poisson Point Process (PPP), leveraging on the mathematical tools of stochastic geometry for tractable mathematical analysis, has been proposed with the capability of fairly accurately estimating the performance of practical cellular networks. This dissertation investigated the mathematical tractability of the PPP-based approach by proposing new mathematical methodologies, fair approximations incorporating practical channel propagation models. First, a new mathematical framework, which is referred to as an Equivalent-in-Distribution (EiD)-based approach, has been proposed for computing exact error probability of cellular networks based on random spatial networks. The proposed approach is easy to compute and is shown to be applicable to a bunch of MIMO setups where the modulation techniques and signal recovery techniques are explicitly considered. Second, the performance of relay-aided cooperative cellular networks, where the relay nodes, the base stations, and the mobile terminals are modeled according to three independent PPPs, has been analyzed by assuming flexible cell association criteria. It is shown from the mathematical framework that the performance highly depends on the path-loss exponents of one-hop and two-hop links, and the relays provide negligible gains on the performance if the system is not adequately designed. Third, the PPP modeling of cellular networks with unified signal attenuation model is generalized by taking into account the effect of line-of-sight (LOS) and non-line-of-sight (NLOS) channel propagation. A tractable yet accurate link state model has been proposed to estimate other models available in the literature. It is shown that an optimal density for the BSs deployment exists when the LOS/NLOS links are classified in saturate load cellular networks. In addition, the Monte Carlo simulation results of the real BSs deployments with empirical building blockages are compared with those with PPP distributed BSs with the proposed link state approximation at the end of this dissertation as supplementary material. In general, a good matching is observed.

Dans cette thèse, les réseaux coopératifs sont étudiés sous cette hypothèse que la source est incertain par rapport le canal en opération. Dans le premier chapitre, des stratégies coopératives sont développées pour les canaux à relais simultanés (SRC) lesquelles se composent d'un ensemble de deux canaux à relais parmi lesquels le canal en opération est choisi. Cela est équivalent au canal de diffusion à relais (BRC). Les bornes sur la région de capacité de BRC général sont dérivées. Les résultats de capacité sont obtenus pour les cas particuliers du canal à relais simultané semi-dégradé et dégradé Gaussien. Dans le deuxième chapitre, le canal à relais composite est considéré où le canal est tiré aléatoirement d'un ensemble de la distribution conditionnelle. Le débit est fixé en dépit du canal actuel et la probabilité d'erreur (EP) asymptotique est caractérisée. Une nouvelle stratégie de codage sélectif (SCS) est introduit permettant aux relais de choisir -selon leur mesurage du canal - la meilleur schéma de codage entre Décoder-et-Transmettre (DF) et Comprimer-et-Transmettre (CF). Les théorèmes de codage de réseau bruit généralisées sont démontrés pour le cas de réseau unicast général où les relais utilisent soit DF soit CF. Dans le troisième chapitre, le spectre asymptotique de EP est introduit en tant que nouvelle mesure de performance pour réseaux composites. Il est démontré que chaque code avec le débit hors de la borne cut-set, abouti à EP égal à un et le spectre asymptotique de EP coïncide avec la probabilité d'outage pour les réseaux satisfaisant la converse forte.

Le but de cette thèse est l'amélioration, en termes de performances et de fiabilité, du contact électrique d'un micro-interrupteur en technologie MEMS. Ces travaux s'inscrivent dans le cadre d'une collaboration entre la Direction de l'Innovation de Schneider Electric et le Département d'Intégration Hétérogène sur Silicium du CEA-Leti. De cette collaboration a résulté un micro-interrupteur MEMS dont la fiabilité est supérieure à l'état de l'art mondial. Sa durée de vie est cependant limitée par la dégradation de son contact électrique. La première partie de cette thèse a ainsi porté sur l'étude des mécanismes à l'origine des défaillances de ce contact. Les essais d'endurance électrique avec courant coupé (« hot switching ») réalisés directement sur les prototypes de micro-interrupteurs, couplés à des analyses physico-chimiques et électriques ont permis d'identifier cinq mécanismes de défaillance principaux, différant en fonction du matériau de contact utilisé et du calibre de test. La seconde partie de la thèse présente le développement d'un banc permettant d'évaluer l'endurance de nouveaux matériaux de contact en remplacement de l'or et du ruthénium utilisés dans le micro-interrupteur. Ce banc d'endurance a été intégralement développé, réalisé et testé durant la thèse. Il reproduit le fonctionnement d'un micro-contact électrique et permet de réaliser plusieurs millions de cycles de fermeture/ouverture en faisant varier de nombreuses conditions de test telles que l'atmosphère environnante. La troisième partie de ce travail porte sur l'étude des mécanismes d'établissement et d'interruption du courant lorsque l'espace inter-contacts est réduit à quelques dizaines de nanomètres. L'utilisation non conventionnelle d'un microscope à force atomique à pointe conductrice en mode approche-retrait a permis de simuler à vitesse réduite l'actionnement d'un micro-contact. Cette étude a mis en évidence un phénomène d'émission électronique Fowler-Nordheim lors des derniers instants précédant la fermeture du contact. Les conséquences de cette émission électronique sont une dégradation des matériaux de contact, aboutissant à un transfert du matériau de contact de l'anode vers la cathode. L'ensemble de ces travaux est alors utilisé dans le chapitre de conclusion pour définir les règles de conception d'un micro-contact fiable.

L'étude du contact électrique quasi statique à plusieurs échelles permet de comprendre celui des micro-relais MEMS. Au cours de ce travail, une modélisation fine du contact est développée pour valider des lois de comportement établies à partir des mesures obtenues grâce à la mise au point de deux dispositifs expérimentaux originaux : la balance de précision, qui permet de réaliser un contact à l'échelle macroscopique entre barreaux croisés recouverts des films minces des matériaux à tester, et un nanoindenteur instrumenté pour la mesure électrique reproduisant un micro-contact identique à celui des micro-relais. Ils permettent tous deux de mener une étude comparative de différents échantillons en fonction de la force (de la dizaine de µN à quelques N), du courant (du µA à l'A), de l'état de surface (rugosité) ou encore du temps ; le contact étant caractérisé par sa résistance électrique. Ce travail concerne principalement le contact réalisé entre films minces en Au, matériau de contact de référence pour les applications micro-relais MEMS. L'étude des contacts de grande dimension a néanmoins été élargie à Ru, Rh, Pt et à l'alliage Au-Ni.Les résultats obtenus à l'aide de la balance de précision ont démontré la nécessité de prendre en compte l'influence de la configuration en film mince des matériaux de contact, tant du point de vue mécanique (rugosité) qu'électrique (répartition des lignes de courant). Leur comparaison à une modélisation statistique du contact rugueux donne des résultats satisfaisants. Cette approche a par ailleurs nécessité le développement d'un algorithme d'analyse d'image des relevés topographiques réalisés au microscope à force atomique, permettant ainsi de quantifier précisément les positions, taille et rayon de courbure de chaque aspérité de la surface.Les mesures effectuées à l'aide du nanoindenteur ont mis en évidence l'effet de la durée de fermeture des microcontacts sur la valeur de la résistance électrique. Le fluage des aspérités serait en partie responsable de la décroissance temporelle observée, aboutissant à des valeurs de résistance limite comparables à celles calculées à l'aide d'une modélisation numérique du contact entre des aspérités discrétisées et une sphère lisse.

Cette thèse est dédiée à l'étude du problème de la stabilisation des systèmes affines à commutations. L'objectif est de concevoir des lois de commutation dépendantes de l'état qui stabilisent le système en boucle fermée. Premièrement, un aperçu de quelque résultat existant dans la littérature est présenté. Ensuite, un résultat général permettant la synthèse de lois de commutations pour la stabilisation des systèmes nonlinéaires affines en l'entré est proposé. La particularisation de ce résultat aux cas des systèmes affines à commutations et des systèmes linéaires à temps invariant avec une commande à relais a permis de synthétiser des lois de commutations garantissant leur stabilité asymptotique locale ou globale en boucle fermée. Grace à l'utilisation des fonctions de Lyapunov commutées une méthode numérique basée sur des LMIs permettant la conception de surfaces de commutations nonlinéaires est proposée. Une méthode permettant la synthèse de lois de commutations robustes vis-à-vis des perturbations sur les mesures est également développée pour assurer la stabilisation des systèmes affines à commutations. Le résultat est ensuite particularisé au cas des systèmes linéaires temps invariant avec commande à relais robuste. Enfin, le problème de la synthèse de lois de commutations basée-observateur est considéré. Des surfaces de commutations linéaires et nonlinéaires sont proposées en utilisant des fonctions de Lyapunov quadratiques et non-quadratiques. Des conditions de stabilisation asymptotique locale et globale sont développées. Les lois de commutations conçues dépendent de l'état reconstruit en utilisant un observateur de type Luenberger. De plus, le principe de séparation est démontré pour les systèmes affines à commutations ainsi que pour les systèmes linéaires temps invariant avec une commande à relais. / This thesis is dedicated to the study of the stabilization problem of switched affine systems with state-dependent switching laws. First, an overview of some existing results is proposed. In order to define the closed-loop system's solutions and to analyze its behavior over the switching surfaces the Filippov formalism is used. The stabilization problem is addressed using a Lyapunov approach which allows to derive numerical approaches based on LMIs. Throughout this thesis both switched affine systems and LTI systems with relay controllers are considered. Using a general framework for the class of nonlinear input-affine systems, a full state-dependent switching controller is designed in order to ensure both local and global asymptotic stability of the closed-loop system. Thanks to switching (Lur'e type) Lyapunov functions, a numerical approach based on LMIs that allows to derive a nonlinear stabilizing switching law is proposed. Moreover, a design approach of robust state-dependent switching laws for switched affine systems stabilization are proposed. The robustness property is studied with respect to bounded exogenous disturbances that affect the state measurements which are used for the design of the switching laws. Finally, observer-based switching controllers are designed to guarantee both local and global asymptotic stability of the closed-loop system. Using both quadratic and non-quadratic Lyapunov functions, linear and nonlinear switching surfaces are designed. The derived switching surfaces depend on the estimated state which is computed by a Luenberger observer. For both switched affine systems and LTI systems with relay controller the separation principle is proved.

L’estimation de canal est une tâche cruciale du récepteur radio dans les systèmes de communication sans fil, en particulier en cas de mobilité où les paramètres du canal varient avec le temps en raison de l’effet Doppler. Dans cette thèse, nous considérons des variations de canal lentes à modérées, typiques des applications véhiculaires, et en particulier les deux types de canaux suivant : canaux Fixe-Mobiles (F-M) et canaux Mobiles-Mobiles (M-M), avec dans ce dernier cas la présence éventuelle de relais mobiles permettant d’amplifier et re-émettre le signal (Amplify and Forward). Nous avons démarré notre étude avec le canal F-M, qui servira de base pour traiter le canal M-M.Pour le cas d’un canal F-M, modélisé par le modèle de Rayleigh à spectre de Jakes, une approche courante pour estimer le canal consiste à utiliser un filtre de Kalman (KF) basé sur un modèle autorégressif d'ordre p (AR(p)). La méthode conventionnelle pour régler les paramètres du modèle AR(p) est basée sur le critère de corrélation (CM). Cependant, l’inconvénient majeur de cette méthode est que des ordres très élevés (p > 15) sont nécessaires pour approcher la borne de Cramer-Rao Bayésienne. Le choix de p ainsi que le réglage des paramètres du modèle sont donc critiques et un compromis doit être trouvé entre la complexité numérique et la performance. Le compromis raisonnable qui a suscité beaucoup d’attention est de prendre p = 2. Le CM n’étant pas performant pour p = 2, d’autres méthodes de réglage ont été proposées dans la littérature, mais celle-ci reposent principalement sur des résultats expérimentaux ou des recherches exhaustives, ce qui limite leur application. Pour régler le modèle, nous proposons d'utiliser un critère de minimisation de la variance asymptotique (MAV) de l’erreur d’estimation en sortie du filtre de Kalman. Une formule générale de réglage a été dérivée en fonction de l’état du canal (fréquence Doppler et rapport signal sur bruit), qui peut s’avérer très utile en pratique. De plus, nous avons également dérivé une formule analytique pour l'erreur quadratique moyenne, ce qui permet de mieux comprendre le comportement du KF. Ensuite, nous avons traité le canal M-M avec présence éventuelle de relais, en suivant la même approche. Les expressions analytiques pour le réglage optimal des paramètres du modèle AR(2) et les performances en erreur quadratique moyenne ont d'abord été établies en fonction des deuxièmes et quatrièmes moments du spectre Doppler du canal global. Les formules analytiques de ces moments ont été dérivées en exploitant la propriété de convolution des fonctions de densité, après décomposition du canal global en cascade de canaux élémentaires à spectre de Jakes. Avec ces approches, les résultats de simulations pour les différents canaux montrent un gain considérable en terme d’erreur quadratique moyenne d’estimation, comparé à la littérature. / Channel estimation is a crucial task of the radio receiver in wireless communication systems, especially in the case of mobility where the channel parameters vary over time due to the Doppler effect. In this thesis, we consider slow to moderate channel variations, typical of vehicular applications, and in particular the following two types of channels: fixed-mobile (F-M) channels and mobile-mobile (M-M) channels, with in the latter case the possible presence of mobile relays (Amplify and Forward). We started our study with the F-M channel, which will serve as a basis for investigating the M-M channel.For the case of an F-M channel, modeled by Rayleigh model described by the Jakes spectrum, a common approach to estimating the channel is to use a Kalman filter (KF) based on an autoregressive model of order p (AR(p)). The conventional method for setting AR(p) model parameters is based on the correlation matching criterion (CM). However, the major disadvantage of this method is that very high orders p>15) are needed to approach the Bayesian Cramer-Rao Bound. The choice of p as well as the adjustment of the parameters of the model are therefore critical and a compromise must be found between the numerical complexity and the performance. The reasonable compromise that has attracted a lot of attention is to take p = 2. Since the CM is not efficient for p = 2, other methods of tuning have been proposed in the literature, but these are mainly based on experimental results or exhaustive searches, which limits their application.To adjust the model, we propose to use a criterion of minimization of the asymptotic variance (MAV) of the estimation error at the output of the Kalman filter. A general tuning formula has been derived based on the state of the channel (Doppler frequency and signal-to-noise ratio), which can be very useful in practice. In addition, we also derived an analytic formula for the mean squared error, which allows a better understanding of KF behavior.Then we treated the M-M channel with the possible presence of mobile relays, following the same approach. The analytical expressions for the optimal adjustment of the AR(2) model parameters and the mean squared error performance were first set according to the second and fourth moments of the Doppler spectrum of the global channel. The analytical formulas of these moments were derived by exploiting the convolution property of the density functions, after decomposing the cascading global channel channel of Jakes spectrum elementary channels. With these approaches, the results of simulations for the different channels show a considerable gain in terms of mean squared error performance estimation, compared to the literature.

Au sein de l'équipe Microsystèmes Magnétiques du Laboratoire d' Electrotechnique de Grenoble, nous avons conçu et modélisé un micro-actionneur bistable entièrement intégré, ayant une partie mobile se déplaçant de 120 µm en moins de 500 µs et de surface inférieure à 10 mm². L'actionnement est magnétique. La partie mobile, constituée d'un micro-aimant en CoPt, se déplaçe verticalement sans aucun contact mécanique (lévitation) entre ses deux butées, également constituées de micro-aimants. La modélisation statique puis dynamique (6 DDL) a été faite grâce à deux logiciels : Dipole 3D et Mathcad. L'optimisation avec Pro@Design des paramètres géométriques du micro-actionneur a permis de fortement réduire le courant et donc l'énergie de commutation (20 µJ). Une étude thermique expérimentale et théorique du micro-actionneur montre que les conducteurs peuvent être alimentés par des impulsions de courant de 90000 A/mm² pendant 500 µs. Les briques de bases technologiques ont été mises au point et validées dans les salles blanches du CEA-LETI. Le micro-actionneur est en cours de prototypage.