Génération d'un nouvel outil pour l'étude in vivo de la neurogenèse et caractérisation de la régulation et des fonctions neurales des protéines CDX

Chez les vertébrés, la neurulation représente les premiers stades de développement du système nerveux durant l'embryogenèse. Elle consiste en la formation, à partir du neuroectoderme, des premières ébauches du système nerveux. Ce processus est finement régulé par un réseau complexe de gènes et le dérèglement de l'un d'entre eux peut entraîner le développement d'une maladie congénitale. Le traitement et la prévention de ces maladies passent par le savoir et la compréhension des différents processus impliqués dans le développement du système nerveux. La souris est un bon modèle d'étude in vivo de la neurogenèse et la technologie Cre-LoxP permet de contrôler l'activation spatiotemporelle d'un transgène. Cependant, aucun modèle de souris ne cible spécifiquement la plaque postérieure durant la neurulation de l'embryon. L'enhancer intronique Cdx2NSE a été caractérisé comme capable de récapituler l'expression du gène Cdx2 dans la plaque neurale postérieure. Notre nouvelle lignée de souris transgénique Cdx2NSE-Cre est capable d'exprimer la recombinase Cre dès le jour embryonnaire 7.5 (E.7.5) dans la plaque neurale postérieure. Elle permet ainsi de cibler le tube neural avec comme limite antérieure la partie caudale du rhomboncéphale. Dans ces mêmes limites, toutes les structures dérivées des cellules de la crête neurale vont également être ciblées par notre nouveau modèle murin, ce qui en fait un très bon outil pour l'étude de la neurogenèse. Le mécanisme de régulation des protéines Cdx spécifiquement dans le neuroectoderme est à ce jour toujours méconnu. L'étude in vitro de ce même enhancer Cdx2NSE nous a permis de montrer que les trois principales voies de signalisation impliquées dans le développement neural et dans l'induction des cellules de la crête neurale, à savoir les voies FGF, BMP et Wnt canonique, sont capables d'en réguler son expression sous le contrôle du gène rapporteur de la luciférase. Enfin, différentes études suggèrent une implication des protéines Cdx dans l'induction des cellules de la crête neurale et dans la fermeture du tube neural, notamment par la régulation de Pax3. Les enhancers de la crête neurale de Pax3 NCE1 et NCE2 sont effectivement régulés par la voie Wnt-Cdx (Sanchez-Ferras et al., 2012) mais un troisième enhancer de la crête neurale (NCE3) a été également caractérisé (Dagenhardt et al., 2010). Nos résultats préliminaires en essai luciférase nous suggèrent une régulation positive de cet enhancer NCE3 par les protéines Cdx1 et Cdx2.\ud ______________________________________________________________________________ \ud MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : neurogenèse, Cdx2NSE, souris, voies de signalisation, Cdx, Pax3, NCE

Role of the urinary concentrating process in the renal effects of high protein intake

Role of the urinary concentrating process in the renal effects of high protein intake. High protein diet is known to increase glomerular filtration rate (GFR) and induce kidney hypertrophy. The mechanisms underlying these changes are not understood. Since the mammalian kidney comprises different nephron segments located in well-delineated zones, it is conceivable that the hypertrophy does not affect all kidney zones and all nephron segments uniformly. The present experiments were designed to study the chronic effects of high or low isocaloric protein diets (HP = 32% or LP = 10% casein, respectively) on kidney function and morphology in Sprague-Dawley rats. HP diet induced significant increases in kidney mass, GFR, free water clearance, and maximum urine concentrating ability. Kidney hypertrophy was characterized by: 1. a preferential increase in thickness of the inner stripe of the outer medulla (IS) (+ 54%, P < 0.001, while total kidney height, from cortex to papillary tip, increased only by 18%); 2. a marked hypertrophy of the thick ascending limbs (TAL) in the inner stripe (+40% epithelium volume/unit tubular length, P < 0.05) but not in the outer stripe nor in the cortex; 3. an increase in heterogeneity of glomeruli between superficial (S) and deep (D) nephrons (D/S = 1.47 in HP vs. 1.17 in LP, P < 0.05). In contrast, normal kidney growth with age and kidney hypertrophy induced by uninephrectomy were not accompanied by preferential enlargement of IS structures. The morphologic changes induced by high protein intake parallel those we previously reported in rats fed a normal diet (25% protein) but in which the operation of the urine concentrating mechanism was chronically stimulated by ADH infusion or by reduction in water intake. This similarity and the dramatic increase in free water reabsorption induced by HP diet suggest that high protein intake affects kidney function and morphology by increasing the level of operation of the urine concentrating process. The preferential increase in TAL epithelium disclosed in this study, and the recent demonstration by others of a decreased salt concentration in the early distal tubule of HP rats raises the possibility that the protein-induced increase in GFR is mediated by a depression of tubuloglomerular feedback resulting from an increased salt transport in the medullary TAL in relation with an increase in free water generation

The cellular and synaptic architecture of the mechanosensory dorsal horn

The deep dorsal horn is a poorly characterized spinal cord region implicated in processing low-threshold mechanoreceptor (LTMR) information. We report an array of mouse genetic tools for defining neuronal components and functions of the dorsal horn LTMR-recipient zone (LTMR-RZ), a role for LTMR-RZ processing in tactile perception, and the basic logic of LTMR-RZ organization. We found an unexpectedly high degree of neuronal diversity in the LTMR-RZ: seven excitatory and four inhibitory subtypes of interneurons exhibiting unique morphological, physiological, and synaptic properties. Remarkably, LTMRs form synapses on between four and 11 LTMR-RZ interneuron subtypes, while each LTMR-RZ interneuron subtype samples inputs from at least one to three LTMR classes, as well as spinal cord interneurons and corticospinal neurons. Thus, the LTMR-RZ is a somatosensory processing region endowed with a neuronal complexity that rivals the retina and functions to pattern the activity of ascending touch pathways that underlie tactile perception

Contribution of freshwater phototrophic biofilms to trace element fluxes and their isotopic fractionation (copper, zinc)

La compréhension des mécanismes qui contrôlent le transfert des éléments en traces métalliques (ETM) dans les hydro-systèmes est fondamentale car ceux-ci constituent des contaminants toxiques potentiels pour l'environnement et l'Homme. Dans ces travaux, la contribution des biofilms phototrophes, principaux acteurs du fonctionnement écologique et biogéochimique des eaux courantes continentales, a été évaluée dans le transfert et le fractionnement isotopique des ETM choisis, le cuivre (Cu) et le zinc (Zn). L'objectif est de mieux appréhender, via le couplage géochimique, microbiologique et écologique, les effets de l'exposition de biofilms aux ETM, conduite en conditions contrôlées, tant sur le comportement des ETM que la réponse de la communauté microbienne. Les expérimentations de 96 h d'exposition d'un biofilm mature aux ETM en milieux fermés et ouverts montrent un fractionnement isotopique opposé entre les processus physico-chimiques et biologiques sollicités. L'adsorption induit un enrichissement du biofilm en isotopes lourds par rapport à la solution avec un facteur d'enrichissement de +1,1±0,3 ‰ pour le Cu et de +1,2±0,4 ‰ pour le Zn. Inversement, le fractionnement isotopique induit lors de l'incorporation du Cu et du Zn dans le biofilm varie avec un facteur d'enrichissement allant de -0,6 à +0,8 ‰ pour le Cu et de +0,1 à +0,5 ‰ pour le Zn. Les analyses in-situ XAS (au seuil K du Cu) montrent que l'enrichissement en isotopes légers lors de l'incorporation du Cu est contrôlé par une réduction du Cu(II) en Cu(I). La variabilité du fractionnement isotopique lors de l'incorporation est expliquée par les différents processus intervenant au sein de la matrice du biofilm (diffusion, adsorption sur les groupes fonctionnels de la matrice d'exopolymères et à la surface des cellules, incorporation intracellulaire). Lors de l'excrétion de ces ETM, le biofilm induit aussi un fractionnement opposé et différent en fonction de la nature de l'ETM. La fraction métallique désorbée par le biofilm lors des premières heures est enrichie en isotopes légers de Zn et en isotopes lourds de Cu par rapport au biofilm avec un enrichissement variant respectivement entre -1,4 et 0 ‰ et entre +0,8 et +0,5 ‰. Les mécanismes d'efflux et de diffusion diminuent la magnitude de l'enrichissement et enduisent un enrichissement de la fraction excrétée par rapport au biofilm compris entre -0,7 et -0,3 ‰ pour le Zn et entre -0,36 et +0,35 ‰ pour le Cu. Ces résultats sont également obtenus dans le cadre d'une étude dynamique du fractionnement isotopique sur deux cycles circadiens consécutifs en système ouvert. Les études du fractionnement isotopique en fonction de la croissance du biofilm en relation avec l'évolution des communautés durant 59 jours de culture montrent une dépendance du fractionnement isotopique à la diversité des communautés et à son évolution temporelle. Le biofilm induit un enrichissement en isotopes lourds de +0,5±0,1 ‰ au 24ième jour qui diminue avec la diminution du rapport de la surface du biofilm sur son volume pour atteindre +0,0±0,3 ‰ au 59ième jour. Pour le Zn, en fonction de la diversité algale, la croissance du biofilm induit soit un fractionnement négatif d'une valeur moyenne de -0,16±0,04 ‰, soit n'induit pas de fractionnement entre le 24ième et 59ième jour (-0,1 <-66Zn(biofilm-solution) <+0,1 ‰). Cette étude reflète la complexité des processus biologiques associés aux biofilms phototrophes. Ainsi, l'utilisation des isotopes pour tracer les processus contrôlés biologiquement lors du transport du Cu et du Zn dans les cours d'eau demande i) la connaissance du temps de résidence du métal dans le biofilm, ii) le degré d'assimilation du métal dans la biomasse par rapport à son adsorption en surface, et iii) les différentes réactions élémentaires intervenant dans le biofilm.Understanding mechanisms that control the metal trace elements (MTE) transfer in aquatic systems is fundamental because MTE are potential toxic contaminants to the environment and human populations. In this work, the contribution of benthic microbial aggregates (phototrophic biofilms), main actors of the ecological functioning and biogeochemistry of freshwater, was evaluated by the transfer and isotopic fractionation of selected two toxic and potentially essential metals, Cu and Zn. The aim is to better understand, via the coupling between different approaches (geochemical, isotopic, structural, microbiological, ecotoxicological), the relation between MTE concentration and isotope signature in solution and within the biofilm, depending on environmental conditions and the microbial community response. Sorption by a mature phototrophic biofilm of MTE during 96 h exposure in batch and open systems reactors exhibits opposite isotopic fractionation between physico-chemical and biological processes. The adsorption induces an enrichment in heavy isotopes of the biofilm relative to the solution during metal complexation with the surface functional groups with an enrichment factor of +1.1±0.3‰ for Cu and +1.2±0.4‰ for Zn. Conversely, the isotopic fractionation during Cu and Zn incorporation inside the biofilm is variable with an enrichment factor between the biofilm and the solution ranging from -0.6 to +0.8 ‰ for Cu and +0.1 to +0.5‰ for Zn. In situ X-ray Absorption Spectroscopy analysis of Cu chemical and structural status in the biofilm show that the enrichment in light isotopes during Cu incorporation is controlled by the reduction of Cu(II) in Cu(I). The variability of isotopic fractionation during incorporation are explained by different processes involved in the biofilm matrix (diffusion, adsorption by the functional groups of the exopolymeric matrix and at the surface of the cells, intracellular incorporation). During ETM excretion from the biofilm into the solution, contrasting fractionation of Cu and Zn is observed. The metal fraction desorbed by the biofilm at the beginning of excretion is enriched in lighter isotopes of Zn and in heavy isotope of Cu compared to the biofilm with an enrichment ranging from 0 to -1.4‰ and from +0.8 to +0.5‰ for Zn and Cu, respectively. Active efflux and diffusion processes decrease the isotopic enrichment magnitude inducing an enrichment of the excreted fraction compared to the biofilm ranging from -0.7 and -0.3‰ for Zn and from -0.36 and +0.35‰ for Cu. The isotopic results found for a dynamic study of Cu and Zn isotopic fractionation on two consecutive circadian cycles in open system are in general agreement with our 96 h sorption and excretion experiments. The isotopic fractionation experiments during the biofilm growth in relation to the evolution of communities (ecological succession) over 59 days exhibit a relationship between metallic isotopic fractionation and the community diversity and its temporal evolution. However, a general trend is observed for Cu with an enrichment in heavy isotopes of +0.5±0.1‰ after 24th day of growth that decreases with the decrease of the biofilm's surface/volume ratio to reach a value of +0.0±0.3 ‰ at the 59th day of growth. For Zn, in relation to algal diversity, the growth of the biofilm produces whether a negative isotopic fractionation equal to -0.16±0.04‰, or does not produce any isotopic fractionation between the 24th and 59th days of growth (-0.1<-66Zn(biofilm-solution)<+0.1 ‰).This study reflects the complexity of biological processes associated with phototrophic biofilms. The use of stable isotopes to trace the processes controlled biologically during transport of Cu and Zn in surface waters requests i) knowledge of metal residence time in the biofilm, ii) the degree of assimilation of the metal in biomass compared to its surface adsorption, and iii) the various elementary reactions involved in the biofilm

Contribution des biofilms phototrophes d'écosystèmes aquatiques continentaux aux flux et fractionnements isotopiques des éléments en trace métallique (cuivre, zinc)

La compréhension des mécanismes qui contrôlent le transfert des éléments en traces métalliques (ETM) dans les hydro-systèmes est fondamentale car ceux-ci constituent des contaminants toxiques potentiels pour l'environnement et l'Homme. Dans ces travaux, la contribution des biofilms phototrophes, principaux acteurs du fonctionnement écologique et biogéochimique des eaux courantes continentales, a été évaluée dans le transfert et le fractionnement isotopique des ETM choisis, le cuivre (Cu) et le zinc (Zn). L'objectif est de mieux appréhender, via le couplage géochimique, microbiologique et écologique, les effets de l'exposition de biofilms aux ETM, conduite en conditions contrôlées, tant sur le comportement des ETM que la réponse de la communauté microbienne. Les expérimentations de 96 h d'exposition d'un biofilm mature aux ETM en milieux fermés et ouverts montrent un fractionnement isotopique opposé entre les processus physico-chimiques et biologiques sollicités. L'adsorption induit un enrichissement du biofilm en isotopes lourds par rapport à la solution avec un facteur d'enrichissement de +1,1±0,3 ‰ pour le Cu et de +1,2±0,4 ‰ pour le Zn. Inversement, le fractionnement isotopique induit lors de l'incorporation du Cu et du Zn dans le biofilm varie avec un facteur d'enrichissement allant de -0,6 à +0,8 ‰ pour le Cu et de +0,1 à +0,5 ‰ pour le Zn. Les analyses in-situ XAS (au seuil K du Cu) montrent que l'enrichissement en isotopes légers lors de l'incorporation du Cu est contrôlé par une réduction du Cu(II) en Cu(I). La variabilité du fractionnement isotopique lors de l'incorporation est expliquée par les différents processus intervenant au sein de la matrice du biofilm (diffusion, adsorption sur les groupes fonctionnels de la matrice d'exopolymères et à la surface des cellules, incorporation intracellulaire). Lors de l'excrétion de ces ETM, le biofilm induit aussi un fractionnement opposé et différent en fonction de la nature de l'ETM. La fraction métallique désorbée par le biofilm lors des premières heures est enrichie en isotopes légers de Zn et en isotopes lourds de Cu par rapport au biofilm avec un enrichissement variant respectivement entre -1,4 et 0 ‰ et entre +0,8 et +0,5 ‰. Les mécanismes d'efflux et de diffusion diminuent la magnitude de l'enrichissement et enduisent un enrichissement de la fraction excrétée par rapport au biofilm compris entre -0,7 et -0,3 ‰ pour le Zn et entre -0,36 et +0,35 ‰ pour le Cu. Ces résultats sont également obtenus dans le cadre d'une étude dynamique du fractionnement isotopique sur deux cycles circadiens consécutifs en système ouvert. Les études du fractionnement isotopique en fonction de la croissance du biofilm en relation avec l'évolution des communautés durant 59 jours de culture montrent une dépendance du fractionnement isotopique à la diversité des communautés et à son évolution temporelle. Le biofilm induit un enrichissement en isotopes lourds de +0,5±0,1 ‰ au 24ième jour qui diminue avec la diminution du rapport de la surface du biofilm sur son volume pour atteindre +0,0±0,3 ‰ au 59ième jour. Pour le Zn, en fonction de la diversité algale, la croissance du biofilm induit soit un fractionnement négatif d'une valeur moyenne de -0,16±0,04 ‰, soit n'induit pas de fractionnement entre le 24ième et 59ième jour (-0,1 <-66Zn(biofilm-solution) <+0,1 ‰). Cette étude reflète la complexité des processus biologiques associés aux biofilms phototrophes. Ainsi, l'utilisation des isotopes pour tracer les processus contrôlés biologiquement lors du transport du Cu et du Zn dans les cours d'eau demande i) la connaissance du temps de résidence du métal dans le biofilm, ii) le degré d'assimilation du métal dans la biomasse par rapport à son adsorption en surface, et iii) les différentes réactions élémentaires intervenant dans le biofilm.Understanding mechanisms that control the metal trace elements (MTE) transfer in aquatic systems is fundamental because MTE are potential toxic contaminants to the environment and human populations. In this work, the contribution of benthic microbial aggregates (phototrophic biofilms), main actors of the ecological functioning and biogeochemistry of freshwater, was evaluated by the transfer and isotopic fractionation of selected two toxic and potentially essential metals, Cu and Zn. The aim is to better understand, via the coupling between different approaches (geochemical, isotopic, structural, microbiological, ecotoxicological), the relation between MTE concentration and isotope signature in solution and within the biofilm, depending on environmental conditions and the microbial community response. Sorption by a mature phototrophic biofilm of MTE during 96 h exposure in batch and open systems reactors exhibits opposite isotopic fractionation between physico-chemical and biological processes. The adsorption induces an enrichment in heavy isotopes of the biofilm relative to the solution during metal complexation with the surface functional groups with an enrichment factor of +1.1±0.3‰ for Cu and +1.2±0.4‰ for Zn. Conversely, the isotopic fractionation during Cu and Zn incorporation inside the biofilm is variable with an enrichment factor between the biofilm and the solution ranging from -0.6 to +0.8 ‰ for Cu and +0.1 to +0.5‰ for Zn. In situ X-ray Absorption Spectroscopy analysis of Cu chemical and structural status in the biofilm show that the enrichment in light isotopes during Cu incorporation is controlled by the reduction of Cu(II) in Cu(I). The variability of isotopic fractionation during incorporation are explained by different processes involved in the biofilm matrix (diffusion, adsorption by the functional groups of the exopolymeric matrix and at the surface of the cells, intracellular incorporation). During ETM excretion from the biofilm into the solution, contrasting fractionation of Cu and Zn is observed. The metal fraction desorbed by the biofilm at the beginning of excretion is enriched in lighter isotopes of Zn and in heavy isotope of Cu compared to the biofilm with an enrichment ranging from 0 to -1.4‰ and from +0.8 to +0.5‰ for Zn and Cu, respectively. Active efflux and diffusion processes decrease the isotopic enrichment magnitude inducing an enrichment of the excreted fraction compared to the biofilm ranging from -0.7 and -0.3‰ for Zn and from -0.36 and +0.35‰ for Cu. The isotopic results found for a dynamic study of Cu and Zn isotopic fractionation on two consecutive circadian cycles in open system are in general agreement with our 96 h sorption and excretion experiments. The isotopic fractionation experiments during the biofilm growth in relation to the evolution of communities (ecological succession) over 59 days exhibit a relationship between metallic isotopic fractionation and the community diversity and its temporal evolution. However, a general trend is observed for Cu with an enrichment in heavy isotopes of +0.5±0.1‰ after 24th day of growth that decreases with the decrease of the biofilm's surface/volume ratio to reach a value of +0.0±0.3 ‰ at the 59th day of growth. For Zn, in relation to algal diversity, the growth of the biofilm produces whether a negative isotopic fractionation equal to -0.16±0.04‰, or does not produce any isotopic fractionation between the 24th and 59th days of growth (-0.1<-66Zn(biofilm-solution)<+0.1 ‰).This study reflects the complexity of biological processes associated with phototrophic biofilms. The use of stable isotopes to trace the processes controlled biologically during transport of Cu and Zn in surface waters requests i) knowledge of metal residence time in the biofilm, ii) the degree of assimilation of the metal in biomass compared to its surface adsorption, and iii) the various elementary reactions involved in the biofilm

Reliability and scalabity of low power and long range networks.

Cette thèse concerne les réseaux dit Faible Puissance et Longue Portée (Low Power Wide Area Networks LPWAN), une nouvelle classe de réseaux sans fils qui visent à fournir une connectivité massive à un faible coût dans le contexte de l'Internet des Objets (Internet of Things IoT).Cette thèse se focalise sur la technologie LoRaWAN, un protocole ouvert, basé sur la modulation LoRa, qui connait un succès important et s'est imposé comme l'un des acteurs majeurs des réseaux LPWAN.Un réseau LoRaWAN typique est composé d'un nombre massif de noeuds terminaux (i.e. les objets connectés), d'un ensemble de passerelles entre le réseau LoRa et le réseau IP et enfin d'un serveur central.Les noeuds émettent leurs données via la modulation LoRa avec une méthode d'accès au canal radio de type Aloha non slotée (i.e sans aucune forme de coordination).Les passerelles transmettent au serveur via le réseau IP toutes les données captées sur leur interface du réseau LoRa.Le serveur à la charge de traiter les données reçues.LoRaWAN est un réseau structuré essentiellement pour le sens montant, i.e. des noeuds vers le serveur mais permet également de rares transmissions dans le sens descendant, du serveur vers les noeuds.Du fait du nombre massif de noeuds, des faibles puissances d'émissions et du mode d'accès au canal basé sur Aloha, des données sont parfois perdues sur le lien LoRa.Cette thèse propose des solutions pour fiabiliser la communication LoRaWAN, i.e. de délivrer plus de 99% des données applicatives.Le gain de fiabilité doit se faire de manière réaliste vis à vis de la capacité du réseau, i.e. le nombre de noeuds pouvants être servis par le réseau dans une même zone.La conséquence de cette contrainte est double: d'une part le temps d'émission dans le sens montant doit être maintenu le plus bas possible afin de repousser au maximum la congestion du réseau, et d'autre part le nombre de transmissions dans le sens descendant doit être maintenu extrêmement bas du fait de la capacité descendante restreinte.Pour atteindre l'objectif d'une communication LoRaWAN fiabilisée, cette thèse propose dans un premier temps une étude en profondeur des caractéristiques du lien LoRaWAN, basée sur des mesures expérimentales dans un réseau urbain public.Notre caractérisation du lien LoRaWAN nous amène à conclure que les mécanismes de fiabilité existants à l'heure actuelle dans LoRaWAN sont inadaptés pour fournir un lien hautement fiable.Nous proposons donc des adaptations pour fiabiliser LoRaWAN tout en conservant au mieux la capacité de la technologie en terme de nombre de noeuds sur le réseau.La thèse propose deux types d'adaptations:La première adaptation proposée dans cette thèse consiste à ajouter une sur-couche protocolaire de recouvrement d'erreurs, transparente pour LoRaWAN, basée sur des codes correcteurs d'erreurs appliqués de manières transversales sur le flux de paquets.Cette approche permet de reconstituer l'intégralité des données transmises malgré des pertes de paquets.La thèse propose pour cet aspect récupération d'erreurs, deux algorithmes distincts, l'un basé sur le code correcteur Reed-Solomon, et l'autre basé sur un code correcteur dérivé des codes Low Density Parity Check (LDPC).Cette thèse évalue les performances des deux algorithmes de récupération d'erreurs proposés.La seconde adaptation proposée consiste à revoir la distribution des paramètres de transmission des noeuds du réseaux.Elle se base à la fois sur la caractérisation du canal LoRaWAN et sur le constat que la sur-couche de recouvrement d'erreurs proposée permet d'obtenir une haute fiabilité tout en permettant d'être tolérant à un certain seuil de pertes de paquets.Cette thèse propose donc de revoir l'algorithme de LoRaWAN: l'Adaptive Data Rate, qui prend en charge à la volée et de manière dynamique la configuration des paramètres de transmission des noeuds du réseau afin de réduire au minimum requis le temps de transmission des noeuds.This thesis focuses on Low Power Wide Area Networks (LPWAN), a new class of wireless networks which aim to provide massive connectivity at a low cost in the context of the Internet of Things (IoT).This thesis focuses more particularly on the LoRaWAN technology, which is an open protocol based on the LoRa proprietary modulation.LoRaWAN knows a significant success and is now established as one of the major players in LPWAN networks.A typical LoRaWAN network is composed of a massive number of end devices (ED), i.e. connected objects, a set of gateways (GW) acting as bridges between the LoRa network and the Internet Protocol (IP) network and finally a network server (NS).EDs transmit their data via LoRa modulation with an random channel access method (unslotted Aloha-like), i.e. without any form of coordination.The GWs transmit to the NS via the IP network all the data captured on their LoRa interface.The NS is responsible for processing the received data.LoRaWAN is an uplink oriented network, meaning that the overwhelming majority of the traffic is expected to be from the EDs to the NS.However, LoRaWAN also allows rare downlink transmissions, from the NS to the EDs.Due to the massive number of EDs, the low transmission powers and the random channel access method, data is sometimes lost by the LoRa link.This thesis proposes solutions to make LoRaWAN communication more reliable, i.e. to deliver more than 99% of the application data.The reliability gain must be achieved in a realistic manner with respect to the capacity of the network, i.e. the number of EDs that can be served by the network in the same area.The consequence of this constraint is twofold: on the one hand the Time On Air (TOA) for the uplink transmissions must be kept as low as possible in order to avoid network congestion as much as possible, and on the other hand the TOA for downlink transmissions must be kept extremely low due to the limited downstream capability of LoRaWAN.With the goal of a reliable LoRaWAN communication, this thesis firstly proposes an in-depth study of the characteristics of the LoRaWAN link, based on experimental measurements in a public urban network.Our characterization of the LoRaWAN link leads us to conclude that the reliability mechanisms currently existing in the LoRaWAN protocol are unfit to provide a highly reliable link.We therefore propose adaptations to make the LoRaWAN protocol reliable while conserving the technology scalability.The thesis proposes two types of adaptations:The first adaptation consists in adding an error recovery protocol overlay, transparent for LoRaWAN, based on error correcting codes applied transversely to the packet flow.This approach makes it possible to reconstitute all of the data transmitted despite packet losses.The thesis proposes two distinct algorithms for this error recovery aspect, one based on the Reed-Solomon correcting code, and the other based on a correcting code derived from Low Density Parity Check (LDPC) codes.This thesis evaluates the performance of the two proposed error recovery algorithms.The second proposed adaptation consists in reviewing the distribution of the transmission parameters of the EDs in the network.It is based both on the characterization of the LoRaWAN channel and on the observation that the proposed error recovery overlay makes it possible to obtain high reliability while making it possible to be tolerant to a certain threshold of packet loss.This thesis therefore proposes to review the LoRaWAN's Adaptive Data Rate (ADR) algorithm.The ADR is an algorithm which supports over-the-air and dynamic configuration of the EDs transmission parameters.We propose in this thesis, to optimize the ADR in order to reduce the TOA of the EDs to the minimum required

Fiabilité et capacité des réseaux à faible puissance et longue portée

This thesis focuses on Low Power Wide Area Networks (LPWAN), a new class of wireless networks which aim to provide massive connectivity at a low cost in the context of the Internet of Things (IoT).This thesis focuses more particularly on the LoRaWAN technology, which is an open protocol based on the LoRa proprietary modulation.LoRaWAN knows a significant success and is now established as one of the major players in LPWAN networks.A typical LoRaWAN network is composed of a massive number of end devices (ED), i.e. connected objects, a set of gateways (GW) acting as bridges between the LoRa network and the Internet Protocol (IP) network and finally a network server (NS).EDs transmit their data via LoRa modulation with an random channel access method (unslotted Aloha-like), i.e. without any form of coordination.The GWs transmit to the NS via the IP network all the data captured on their LoRa interface.The NS is responsible for processing the received data.LoRaWAN is an uplink oriented network, meaning that the overwhelming majority of the traffic is expected to be from the EDs to the NS.However, LoRaWAN also allows rare downlink transmissions, from the NS to the EDs.Due to the massive number of EDs, the low transmission powers and the random channel access method, data is sometimes lost by the LoRa link.This thesis proposes solutions to make LoRaWAN communication more reliable, i.e. to deliver more than 99% of the application data.The reliability gain must be achieved in a realistic manner with respect to the capacity of the network, i.e. the number of EDs that can be served by the network in the same area.The consequence of this constraint is twofold: on the one hand the Time On Air (TOA) for the uplink transmissions must be kept as low as possible in order to avoid network congestion as much as possible, and on the other hand the TOA for downlink transmissions must be kept extremely low due to the limited downstream capability of LoRaWAN.With the goal of a reliable LoRaWAN communication, this thesis firstly proposes an in-depth study of the characteristics of the LoRaWAN link, based on experimental measurements in a public urban network.Our characterization of the LoRaWAN link leads us to conclude that the reliability mechanisms currently existing in the LoRaWAN protocol are unfit to provide a highly reliable link.We therefore propose adaptations to make the LoRaWAN protocol reliable while conserving the technology scalability.The thesis proposes two types of adaptations:The first adaptation consists in adding an error recovery protocol overlay, transparent for LoRaWAN, based on error correcting codes applied transversely to the packet flow.This approach makes it possible to reconstitute all of the data transmitted despite packet losses.The thesis proposes two distinct algorithms for this error recovery aspect, one based on the Reed-Solomon correcting code, and the other based on a correcting code derived from Low Density Parity Check (LDPC) codes.This thesis evaluates the performance of the two proposed error recovery algorithms.The second proposed adaptation consists in reviewing the distribution of the transmission parameters of the EDs in the network.It is based both on the characterization of the LoRaWAN channel and on the observation that the proposed error recovery overlay makes it possible to obtain high reliability while making it possible to be tolerant to a certain threshold of packet loss.This thesis therefore proposes to review the LoRaWAN's Adaptive Data Rate (ADR) algorithm.The ADR is an algorithm which supports over-the-air and dynamic configuration of the EDs transmission parameters.We propose in this thesis, to optimize the ADR in order to reduce the TOA of the EDs to the minimum required.Cette thèse concerne les réseaux dit Faible Puissance et Longue Portée (Low Power Wide Area Networks LPWAN), une nouvelle classe de réseaux sans fils qui visent à fournir une connectivité massive à un faible coût dans le contexte de l'Internet des Objets (Internet of Things IoT).Cette thèse se focalise sur la technologie LoRaWAN, un protocole ouvert, basé sur la modulation LoRa, qui connait un succès important et s'est imposé comme l'un des acteurs majeurs des réseaux LPWAN.Un réseau LoRaWAN typique est composé d'un nombre massif de noeuds terminaux (i.e. les objets connectés), d'un ensemble de passerelles entre le réseau LoRa et le réseau IP et enfin d'un serveur central.Les noeuds émettent leurs données via la modulation LoRa avec une méthode d'accès au canal radio de type Aloha non slotée (i.e sans aucune forme de coordination).Les passerelles transmettent au serveur via le réseau IP toutes les données captées sur leur interface du réseau LoRa.Le serveur à la charge de traiter les données reçues.LoRaWAN est un réseau structuré essentiellement pour le sens montant, i.e. des noeuds vers le serveur mais permet également de rares transmissions dans le sens descendant, du serveur vers les noeuds.Du fait du nombre massif de noeuds, des faibles puissances d'émissions et du mode d'accès au canal basé sur Aloha, des données sont parfois perdues sur le lien LoRa.Cette thèse propose des solutions pour fiabiliser la communication LoRaWAN, i.e. de délivrer plus de 99% des données applicatives.Le gain de fiabilité doit se faire de manière réaliste vis à vis de la capacité du réseau, i.e. le nombre de noeuds pouvants être servis par le réseau dans une même zone.La conséquence de cette contrainte est double: d'une part le temps d'émission dans le sens montant doit être maintenu le plus bas possible afin de repousser au maximum la congestion du réseau, et d'autre part le nombre de transmissions dans le sens descendant doit être maintenu extrêmement bas du fait de la capacité descendante restreinte.Pour atteindre l'objectif d'une communication LoRaWAN fiabilisée, cette thèse propose dans un premier temps une étude en profondeur des caractéristiques du lien LoRaWAN, basée sur des mesures expérimentales dans un réseau urbain public.Notre caractérisation du lien LoRaWAN nous amène à conclure que les mécanismes de fiabilité existants à l'heure actuelle dans LoRaWAN sont inadaptés pour fournir un lien hautement fiable.Nous proposons donc des adaptations pour fiabiliser LoRaWAN tout en conservant au mieux la capacité de la technologie en terme de nombre de noeuds sur le réseau.La thèse propose deux types d'adaptations:La première adaptation proposée dans cette thèse consiste à ajouter une sur-couche protocolaire de recouvrement d'erreurs, transparente pour LoRaWAN, basée sur des codes correcteurs d'erreurs appliqués de manières transversales sur le flux de paquets.Cette approche permet de reconstituer l'intégralité des données transmises malgré des pertes de paquets.La thèse propose pour cet aspect récupération d'erreurs, deux algorithmes distincts, l'un basé sur le code correcteur Reed-Solomon, et l'autre basé sur un code correcteur dérivé des codes Low Density Parity Check (LDPC).Cette thèse évalue les performances des deux algorithmes de récupération d'erreurs proposés.La seconde adaptation proposée consiste à revoir la distribution des paramètres de transmission des noeuds du réseaux.Elle se base à la fois sur la caractérisation du canal LoRaWAN et sur le constat que la sur-couche de recouvrement d'erreurs proposée permet d'obtenir une haute fiabilité tout en permettant d'être tolérant à un certain seuil de pertes de paquets.Cette thèse propose donc de revoir l'algorithme de LoRaWAN: l'Adaptive Data Rate, qui prend en charge à la volée et de manière dynamique la configuration des paramètres de transmission des noeuds du réseau afin de réduire au minimum requis le temps de transmission des noeuds

Fiabilité et capacité des réseaux à faible puissance et longue portée

This thesis focuses on Low Power Wide Area Networks (LPWAN), a new class of wireless networks which aim to provide massive connectivity at a low cost in the context of the Internet of Things (IoT).This thesis focuses more particularly on the LoRaWAN technology, which is an open protocol based on the LoRa proprietary modulation.LoRaWAN knows a significant success and is now established as one of the major players in LPWAN networks.A typical LoRaWAN network is composed of a massive number of end devices (ED), i.e. connected objects, a set of gateways (GW) acting as bridges between the LoRa network and the Internet Protocol (IP) network and finally a network server (NS).EDs transmit their data via LoRa modulation with an random channel access method (unslotted Aloha-like), i.e. without any form of coordination.The GWs transmit to the NS via the IP network all the data captured on their LoRa interface.The NS is responsible for processing the received data.LoRaWAN is an uplink oriented network, meaning that the overwhelming majority of the traffic is expected to be from the EDs to the NS.However, LoRaWAN also allows rare downlink transmissions, from the NS to the EDs.Due to the massive number of EDs, the low transmission powers and the random channel access method, data is sometimes lost by the LoRa link.This thesis proposes solutions to make LoRaWAN communication more reliable, i.e. to deliver more than 99% of the application data.The reliability gain must be achieved in a realistic manner with respect to the capacity of the network, i.e. the number of EDs that can be served by the network in the same area.The consequence of this constraint is twofold: on the one hand the Time On Air (TOA) for the uplink transmissions must be kept as low as possible in order to avoid network congestion as much as possible, and on the other hand the TOA for downlink transmissions must be kept extremely low due to the limited downstream capability of LoRaWAN.With the goal of a reliable LoRaWAN communication, this thesis firstly proposes an in-depth study of the characteristics of the LoRaWAN link, based on experimental measurements in a public urban network.Our characterization of the LoRaWAN link leads us to conclude that the reliability mechanisms currently existing in the LoRaWAN protocol are unfit to provide a highly reliable link.We therefore propose adaptations to make the LoRaWAN protocol reliable while conserving the technology scalability.The thesis proposes two types of adaptations:The first adaptation consists in adding an error recovery protocol overlay, transparent for LoRaWAN, based on error correcting codes applied transversely to the packet flow.This approach makes it possible to reconstitute all of the data transmitted despite packet losses.The thesis proposes two distinct algorithms for this error recovery aspect, one based on the Reed-Solomon correcting code, and the other based on a correcting code derived from Low Density Parity Check (LDPC) codes.This thesis evaluates the performance of the two proposed error recovery algorithms.The second proposed adaptation consists in reviewing the distribution of the transmission parameters of the EDs in the network.It is based both on the characterization of the LoRaWAN channel and on the observation that the proposed error recovery overlay makes it possible to obtain high reliability while making it possible to be tolerant to a certain threshold of packet loss.This thesis therefore proposes to review the LoRaWAN's Adaptive Data Rate (ADR) algorithm.The ADR is an algorithm which supports over-the-air and dynamic configuration of the EDs transmission parameters.We propose in this thesis, to optimize the ADR in order to reduce the TOA of the EDs to the minimum required.Cette thèse concerne les réseaux dit Faible Puissance et Longue Portée (Low Power Wide Area Networks LPWAN), une nouvelle classe de réseaux sans fils qui visent à fournir une connectivité massive à un faible coût dans le contexte de l'Internet des Objets (Internet of Things IoT).Cette thèse se focalise sur la technologie LoRaWAN, un protocole ouvert, basé sur la modulation LoRa, qui connait un succès important et s'est imposé comme l'un des acteurs majeurs des réseaux LPWAN.Un réseau LoRaWAN typique est composé d'un nombre massif de noeuds terminaux (i.e. les objets connectés), d'un ensemble de passerelles entre le réseau LoRa et le réseau IP et enfin d'un serveur central.Les noeuds émettent leurs données via la modulation LoRa avec une méthode d'accès au canal radio de type Aloha non slotée (i.e sans aucune forme de coordination).Les passerelles transmettent au serveur via le réseau IP toutes les données captées sur leur interface du réseau LoRa.Le serveur à la charge de traiter les données reçues.LoRaWAN est un réseau structuré essentiellement pour le sens montant, i.e. des noeuds vers le serveur mais permet également de rares transmissions dans le sens descendant, du serveur vers les noeuds.Du fait du nombre massif de noeuds, des faibles puissances d'émissions et du mode d'accès au canal basé sur Aloha, des données sont parfois perdues sur le lien LoRa.Cette thèse propose des solutions pour fiabiliser la communication LoRaWAN, i.e. de délivrer plus de 99% des données applicatives.Le gain de fiabilité doit se faire de manière réaliste vis à vis de la capacité du réseau, i.e. le nombre de noeuds pouvants être servis par le réseau dans une même zone.La conséquence de cette contrainte est double: d'une part le temps d'émission dans le sens montant doit être maintenu le plus bas possible afin de repousser au maximum la congestion du réseau, et d'autre part le nombre de transmissions dans le sens descendant doit être maintenu extrêmement bas du fait de la capacité descendante restreinte.Pour atteindre l'objectif d'une communication LoRaWAN fiabilisée, cette thèse propose dans un premier temps une étude en profondeur des caractéristiques du lien LoRaWAN, basée sur des mesures expérimentales dans un réseau urbain public.Notre caractérisation du lien LoRaWAN nous amène à conclure que les mécanismes de fiabilité existants à l'heure actuelle dans LoRaWAN sont inadaptés pour fournir un lien hautement fiable.Nous proposons donc des adaptations pour fiabiliser LoRaWAN tout en conservant au mieux la capacité de la technologie en terme de nombre de noeuds sur le réseau.La thèse propose deux types d'adaptations:La première adaptation proposée dans cette thèse consiste à ajouter une sur-couche protocolaire de recouvrement d'erreurs, transparente pour LoRaWAN, basée sur des codes correcteurs d'erreurs appliqués de manières transversales sur le flux de paquets.Cette approche permet de reconstituer l'intégralité des données transmises malgré des pertes de paquets.La thèse propose pour cet aspect récupération d'erreurs, deux algorithmes distincts, l'un basé sur le code correcteur Reed-Solomon, et l'autre basé sur un code correcteur dérivé des codes Low Density Parity Check (LDPC).Cette thèse évalue les performances des deux algorithmes de récupération d'erreurs proposés.La seconde adaptation proposée consiste à revoir la distribution des paramètres de transmission des noeuds du réseaux.Elle se base à la fois sur la caractérisation du canal LoRaWAN et sur le constat que la sur-couche de recouvrement d'erreurs proposée permet d'obtenir une haute fiabilité tout en permettant d'être tolérant à un certain seuil de pertes de paquets.Cette thèse propose donc de revoir l'algorithme de LoRaWAN: l'Adaptive Data Rate, qui prend en charge à la volée et de manière dynamique la configuration des paramètres de transmission des noeuds du réseau afin de réduire au minimum requis le temps de transmission des noeuds

Channel Coding for Better QoS in LoRa Networks

International audienceIn the Internet of Things, Packet Delivery Ratio and Time on Air are two predominant characteristics for both applications and operators, especially while using transmissions over Low Power Wide Area Networks such as LoRa T M. Our channel coding approach aims to improve these Quality of Service characteristics for LoRaWAN T M networks. Our CCARR protocol uses Reed-Solomon FEC and structures successive frames into segments. A completion acknowledgements dynamically controls the amount of FEC overload. We estimate the potential gain of CCARR with a proba-bilistic analysis. Simulation and of-the-shelves testbed experiments of the protocol corroborate analysis trends and show a large Packet Delivery Rate improvement over LoRaWAN T M and the literature with a controlled Time on Air increase due to optimized FEC overload

Adaptive Data Rate for Multiple Gateways LoRaWAN Networks

International audienceWe propose to optimize the LoRaWAN Adaptive Data Rate algorithm in case an inter-packet error correction scheme is available. We adjust its parameters based on the analysis of the LoRa channel with multiple reception gateways, supported by real-world traffic traces. The resulting protocol provides very high reliability even over low quality channels, with comparable Time on Air and similar downlink usage as the currently deployed mechanism. Simulations corroborate the analysis, both over a synthetic random wireless link and over replayed real-world packet transmission traces