Techniques de coopération appliquées aux futurs réseaux cellulaires

A uniform mobile user quality of service and a distributed use of the spectrum represent the key-ingredients for next generation cellular networks. Toward this end, physical layer cooperation among the network infrastructure and the wireless nodes has emerged as a potential technique. Cooperation leverages the broadcast nature of the wireless medium, that is, the same transmission can be heard by multiple nodes, thus opening up the possibility that nodes help one another to convey the messages to their intended destination. Cooperation also promises to offer novel and smart ways to manage interference, instead of just simply disregarding it and treating it as noise. Understanding how to properly design such cooperative wireless systems so that the available resources are fully utilized is of fundamental importance.The objective of this thesis is to conduct an information theoretic study on practically relevant wireless systems where the network infrastructure nodes cooperate among themselves in an attempt to enhance the network performance in many critical aspects, such as throughput, robustness and coverage. Wireless systems with half-duplex relay stations as well as scenarios where a base station overhears another base station and consequently helps serving this other base station's associated mobile users, represent the wireless cooperative networks under investigation in this thesis. The prior focus is to make progress towards characterizing the capacity of such wireless systems by means of derivation of novel outer bounds and design of new provably optimal transmission strategies.Une qualité de service uniforme pour les utilisateurs mobiles et une utilisation distribuée du spectre représentent les ingrédients clés des réseaux cellulaires de prochaine génération. Dans ce but, la coopération au niveau de la couche physique entre les nœuds de l’infrastructure et les nœuds du réseau sans fil a émergé comme une technique à fort potentiel. La coopération s’appuie sur les propriétés de diffusion du canal sans fil, c’est-à-dire que la même transmission peut être entendue par plusieurs nœuds, ouvrant ainsi la possibilité pour les nœuds de s’aider à transmettre les messages à leur destination finale. La coopération promet aussi d’offrir une façon nouvelle et intelligente de gérer les interférences, au lieu de simplement les ignorer et les traiter comme du bruit. Comprendre comment concevoir ces systèmes radio coopératifs, afin que les ressources disponibles soient pleinement utilisées, est d’une importance fondamentale. L’objectif de cette thèse est de mener une étude du point de vue de la théorie de l’information, pour des systèmes sans fil pertinents dans la pratique, où les nœuds de l’infrastructure coopèrent en essayant d’améliorer les performances du réseau. Les systèmes radio avec des relais semi-duplex ainsi que les scénarios où une station de base aide à servir les utilisateurs mobiles associés à une autre station de base, sont les réseaux sans fil coopératifs étudiés dans cette thèse. Le but principal est la progression vers la caractérisation de la capacité de ces systèmes sans fil au moyen de dérivation de nouvelles bornes supérieures pour les performances et la conception de nouvelles stratégies de transmission permettant de les atteindre

L'intertextualité dans les publications scientifiques

La base de données bibliographiques de l'IEEE contient un certain nombre de duplications avérées avec indication des originaux copiés. Ce corpus est utilisé pour tester une méthode d'attribution d'auteur. La combinaison de la distance intertextuelle avec la fenêtre glissante et diverses techniques de classification permet d'identifier ces duplications avec un risque d'erreur très faible. Cette expérience montre également que plusieurs facteurs brouillent l'identité de l'auteur scientifique, notamment des collectifs de chercheurs à géométrie variable et une forte dose d'intertextualité acceptée voire recherchée

Transmission haut-débit sur les réseaux d'énergie: principes physiques et compatibilité électromagnétique

Power Line Communications consist of transmitting data by reusing the existing powerline as a propagation medium. Powerline networks represent a challenging environment for broadband communications, since they have not been designed for the transmission of high frequency signals. This Habilitation degree thesis presents our research on transmission physics and electromagnetic compatibility for in-home powerline networks. This research has been conducted since 2007 in the framework of a collaboration between Orange Labs and Telecom Bretagne, involving my supervision of three Ph.D. theses defended in 2012, 2013 and 2015, as the principal advisor.La technologie Courant Porteur en Ligne consiste à transmettre des données en réutilisant le réseau électrique classique en tant que support de propagation. Les réseaux d'énergie sont des environnements difficiles pour les communications à haut débit, car ils n'ont pas été conçus pour la transmission d'un signal à haute fréquence. Ce mémoire d'Habilitation à Diriger des Recherches présente mes travaux concernant la physique de la transmission et les aspects de Compatibilité Electro-Magnétique (CEM) pour le réseau électrique domestique. Ils ont été réalisés à partir de 2007 dans le cadre d'une collaboration entre Orange Labs et Telecom Bretagne, notamment à travers trois thèses soutenues en 2012, 2013 et 2015. Après une introduction générale à la technologie CPL, le manuscrit décrit l'environnement de propagation dans les réseaux d'énergie en termes de canal et de bruit électromagnétique. Les principes de la modélisation du canal CPL sont illustrés à partir de la problématique d'identification des trajets de propagation. L'une des principales évolutions du domaine concerne l'application de la technologie Multiple Input Multiple Output (MIMO) aux communications sur réseaux d'énergie. Nos études expérimentales ont démontré que l'adaptation de cette technique issue du domaine de la radio permet un doublement de la capacité de transmission. Nous présentons les campagnes de mesure réalisées au sein d'Orange Labs et du groupe Specialist Task Force 410 de l'ETSI. A partir de ces données, des modèles statistiques de canal de propagation MIMO et de bruit multi-capteurs ont été élaborés. En termes d'émission électromagnétique, la bande utilisée par les systèmes CPL est déjà occupée par d'autres services (radio amateur, radiodiffusion en ondes courtes). Nous décrivons les contraintes CEM des systèmes CPL et abordons les techniques de CEM cognitive, consistant à optimiser les ressources spectrales en tenant compte de la connaissance de l'environnement du système. En particulier, la technique de retournement temporel est étudiée pour la mitigation du rayonnement involontaire et sa performance est étudiée de manière expérimentale. Enfin, le manuscrit présente la problématique de l'efficacité énergétique des systèmes CPL. Nous présentons les mesures expérimentales réalisées afin de modéliser la consommation de modems classiques et MIMO. D'autre part, la configuration de communication en relais a été étudiée, afin d'évaluer le gain de ce mode de transmission en termes de consommation énergétique. A l'avenir, ces travaux pourront être étendus aux réseaux de distribution en basse et moyenne tension, pour le développement et l'optimisation des réseaux d'énergie intelligents, ou Smart Grids

En Masse relay selection algorithms for multi-source, multi-relay, decode-and-forward cooperative systems

Opportunistic relay selection in a multiple source-destination (MSD) cooperative system requires quickly allocating to each source-destination (SD) pair a suitable relay based on channel gains. Since the channel knowledge is available only locally at a relay and not globally, efficient relay selection algorithms are needed. For an MSD system, in which the SD pairs communicate in a time-orthogonal manner with the help of decode-and-forward relays, we propose three novel relay selection algorithms, namely, contention-free en masse assignment (CFEA), contention-based en masse assignment (CBEA), and a hybrid algorithm that combines the best features of CFEA and CBEA. En masse assignment exploits the fact that a relay can often aid not one but multiple SD pairs, and, therefore, can be assigned to multiple SD pairs. This drastically reduces the average time required to allocate an SD pair when compared to allocating the SD pairs one by one. We show that the algorithms are much faster than other selection schemes proposed in the literature and yield significantly higher net system throughputs. Interestingly, CFEA is as effective as CBEA over a wider range of system parameters than in single SD pair systems

Diseño de mecanismos para el desarrollo de sistemas seguros con calidad de servicio (QoS)

Seguridad y Calidad de Servicio (QoS) son aspectos ampliamente confrontados. En esta tesis se realiza un análisis detallado de las características y requisitos de seguridad y QoS en las redes candidatas a formar parte de la Internet del Futuro (IF) y de la Internet de los Objetos (IdO), así como de los mecanismos actuales para el análisis de la compensación entre mecanismos de seguridad y QoS. De este estudio se desprende la necesidad de definir nuevos modelos para la evaluación del impacto entre mecanismos de seguridad y QoS, dado que la mayor parte de los estudios centra sus esfuerzos en entornos específicos y características determinadas que no pueden ser fácilmente mapeadas a otros entornos, o cambiar dinámicamente. Por ello definimos un modelo para la composición de esquemas de definición paramétrica basado en el contexto, definido por sus siglas en inglés, Context-based Parametric Relationship Model (CPRM). Este modelo es implementado en una herramienta para la evaluación de mecanismos de Seguridad y QoS (SQT), y su rendimiento evaluado en base a la información integrada en los contextos y la dependencia paramétrica. Finalmente, para mejorar la visualización de los resultados y agilizar la comprensión del modelo definimos un sistema de recomendaciones para la herramienta SQT (SQT-RS). El análisis del modelo y de la herramienta se realiza empleando dos casos base dentro de escenarios del FI: mecanismos de autenticación en redes de sensores (WSN) y recomendaciones para la composición de mecanismos en escenarios de 5G Green sometidos a eavesdropping y jamming

Cyber-Human Systems, Space Technologies, and Threats

CYBER-HUMAN SYSTEMS, SPACE TECHNOLOGIES, AND THREATS is our eighth textbook in a series covering the world of UASs / CUAS/ UUVs / SPACE. Other textbooks in our series are Space Systems Emerging Technologies and Operations; Drone Delivery of CBNRECy – DEW Weapons: Emerging Threats of Mini-Weapons of Mass Destruction and Disruption (WMDD); Disruptive Technologies with applications in Airline, Marine, Defense Industries; Unmanned Vehicle Systems & Operations On Air, Sea, Land; Counter Unmanned Aircraft Systems Technologies and Operations; Unmanned Aircraft Systems in the Cyber Domain: Protecting USA’s Advanced Air Assets, 2nd edition; and Unmanned Aircraft Systems (UAS) in the Cyber Domain Protecting USA’s Advanced Air Assets, 1st edition. Our previous seven titles have received considerable global recognition in the field. (Nichols & Carter, 2022) (Nichols, et al., 2021) (Nichols R. K., et al., 2020) (Nichols R. , et al., 2020) (Nichols R. , et al., 2019) (Nichols R. K., 2018) (Nichols R. K., et al., 2022)https://newprairiepress.org/ebooks/1052/thumbnail.jp

Méthodes de codage et d'estimation adaptative appliquées aux communications sans fil

Les recherches et les contributions présentées portent sur des techniques de traitement du signal appliquées aux communications sans fil. Elles s’articulent autour des points suivants : (1) l’estimation adaptative de canaux de communication dans différents contextes applicatifs, (2) la correction de bruit impulsionnel et la réduction du niveau de PAPR (Peak to Average Power Ratio) dans un système multi-porteuse, (3) l’optimisation de schémas de transmission pour la diffusion sur des canaux gaussiens avec/sans contrainte de sécurité, (4) l’analyse, l’interprétation et l’amélioration des algorithmes de décodage itératif par le biais de l’optimisation, de la théorie des jeux et des outils statistiques. L’accent est plus particulièrement mis sur le dernier thème

Learning discrete word embeddings to achieve better interpretability and processing efficiency

L’omniprésente utilisation des plongements de mot dans le traitement des langues naturellesest la preuve de leur utilité et de leur capacité d’adaptation a une multitude de tâches. Ce-pendant, leur nature continue est une importante limite en terme de calculs, de stockage enmémoire et d’interprétation. Dans ce travail de recherche, nous proposons une méthode pourapprendre directement des plongements de mot discrets. Notre modèle est une adaptationd’une nouvelle méthode de recherche pour base de données avec des techniques dernier crien traitement des langues naturelles comme les Transformers et les LSTM. En plus d’obtenirdes plongements nécessitant une fraction des ressources informatiques nécéssaire à leur sto-ckage et leur traitement, nos expérimentations suggèrent fortement que nos représentationsapprennent des unités de bases pour le sens dans l’espace latent qui sont analogues à desmorphèmes. Nous appelons ces unités dessememes, qui, de l’anglaissemantic morphemes,veut dire morphèmes sémantiques. Nous montrons que notre modèle a un grand potentielde généralisation et qu’il produit des représentations latentes montrant de fortes relationssémantiques et conceptuelles entre les mots apparentés.The ubiquitous use of word embeddings in Natural Language Processing is proof of theirusefulness and adaptivity to a multitude of tasks. However, their continuous nature is pro-hibitive in terms of computation, storage and interpretation. In this work, we propose amethod of learning discrete word embeddings directly. The model is an adaptation of anovel database searching method using state of the art natural language processing tech-niques like Transformers and LSTM. On top of obtaining embeddings requiring a fractionof the resources to store and process, our experiments strongly suggest that our representa-tions learn basic units of meaning in latent space akin to lexical morphemes. We call theseunitssememes, i.e., semantic morphemes. We demonstrate that our model has a greatgeneralization potential and outputs representation showing strong semantic and conceptualrelations between related words

Exploring Computing Continuum in IoT Systems: Sensing, Communicating and Processing at the Network Edge

As Internet of Things (IoT), originally comprising of only a few simple sensing devices, reaches 34 billion units by the end of 2020, they cannot be defined as merely monitoring sensors anymore. IoT capabilities have been improved in recent years as relatively large internal computation and storage capacity are becoming a commodity. In the early days of IoT, processing and storage were typically performed in cloud. New IoT architectures are able to perform complex tasks directly on-device, thus enabling the concept of an extended computational continuum. Real-time critical scenarios e.g. autonomous vehicles sensing, area surveying or disaster rescue and recovery require all the actors involved to be coordinated and collaborate without human interaction to a common goal, sharing data and resources, even in intermittent networks covered areas. This poses new problems in distributed systems, resource management, device orchestration,as well as data processing. This work proposes a new orchestration and communication framework, namely CContinuum, designed to manage resources in heterogeneous IoT architectures across multiple application scenarios. This work focuses on two key sustainability macroscenarios: (a) environmental sensing and awareness, and (b) electric mobility support. In the first case a mechanism to measure air quality over a long period of time for different applications at global scale (3 continents 4 countries) is introduced. The system has been developed in-house from the sensor design to the mist-computing operations performed by the nodes. In the second scenario, a technique to transmit large amounts of fine-time granularity battery data from a moving vehicle to a control center is proposed jointly with the ability of allocating tasks on demand within the computing continuum