Signaux et échantillonnage singuliers

Transcription

Créée en 1894, Supélec se développe aujourd’hui
dans la région parisienne à Gif-sur-Yvette (depuis
1975), en Lorraine à Metz (depuis 1985), en
Bretagne à Rennes (depuis 1972).
Founded in 1894, Supélec today operates on
three campuses: the Paris region in Gif-surYvette (since 1975), Lorraine in Metz (since 1985),
Brittany in Rennes (since 1972).
Supélec participe aux pôles de compétitivité
System@tic, Mov’eo et AsTech en Île-de-France,
Images & Réseaux en Bretagne, Matéralia en
Lorraine. Supélec est membre de deux réseaux
Thématiques de Recherche Avancée (RTRA) :
Digiteo et Triangle de la Physique.
Supélec participates in the following competitiveness clusters: System@tic, Mov’eo and AsTech
in the Ile-de-France region, Media & Networks in
Brittany, Materalia in Lorraine. Supélec is a member of two Thematic Advanced Networks (RTRA):
Digiteo and Triangle de la Physique.
En 2007, Supélec et Centrale Paris ont créé
l’Institut Carnot C3S “Centrale-Supélec Sciences
des Systèmes” (voir la présentation). Leur partenariat s’est transformé en novembre 2008 en une
alliance stratégique. Désormais tous les grands
projets sont examinés ensemble et chaque projet
commun est l’occasion d’un rapprochement des
deux structures.
In 2007, Supélec and Centrale Paris have created
the “Carnot Institute” C3S “Centrale-Supélec
Sciences des Systèmes” (see inside). They
extended their partnership to a strategic alliance
in November 2008. The schools work jointly on
major projects, each serving to bring the two
schools closer together.
www.supelec.fr
Campus de Gif-sur-Yvette
Plateau de Moulon
3 rue Joliot-Curie
Tél. : + 33 (0)1 69 85 12 12
Fax : + 33 (0)1 69 85 12 34
Campus de Metz
Metz Technopôle
2 rue Edouard Belin
57070 Metz
Tél. : + 33 (0)3 87 76 47 47
Fax : + 33 (0)3 87 76 47 00
Campus de Rennes
Avenue de la Boulaie
CS 47601
35576 Cesson Sévigné Cedex
Tél. : + 33 (0)2 99 84 45 00
Fax : + 33 (0)2 99 84 45 99
Recherche Research 2009/2011
A single institution located on three
networked campuses
Fidelis 01 69 41 41 41
Une seule école sur trois campus
organisés en réseau
Fidelis
RECHERCHE
RESEARCH
2009 / 2011
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RECHERCHE
RESEARCH
2009-2011
Numéro 6
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Éditorial
Editorial
Alain Bravo
Directeur Général de Supélec
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De plus en plus l’information, l’énergie et les systèmes sont au cœur des
avancées de la connaissance et sont essentiels à la diffusion du progrès.
Dans un contexte scientifique et technologique qui évolue significativement, ne serait-ce que sous l’effet de la mondialisation, Supélec veut affirmer sa volonté d’être au rendez-vous d’un triple défi :
• d’abord le défi d’une relation de plus en plus féconde entre enseignement, recherche et innovation ;
• ensuite le défi d’une capacité toujours plus grande de création et
Information, energy and systems lie at the heart of recent advancements in
human knowledge. They are also essential for promoting and spreading
progress.
Today’s scientific and technological world is changing at an extraordinarily fast pace, thanks to the impetus of globalization. In this respect, Supélec
wishes to express its firm commitment to meeting a triple challenge:
• first, the challenge of managing a very rich relationship between higher
education, research and innovation;
d’échange de connaissances avec les groupes industriels, les sociétés des
services et les PME ;
• second, the challenge of finding creative ways to exchange this wealth of
• enfin le défi d’une science des systèmes de plus en plus avancée en terme
• third, the challenge of fostering an increasingly advanced science of
d’analyse, de modélisation et de simulation du risque et de l’incertain.
systems in terms of analysis, modeling and simulation of risk and uncertainty.
knowledge with industrial groups, service companies and SMEs;
Tous ces défis, Supélec ne compte pas les relever seule :
• l’Institut Carnot C3S (Centrale Supélec Sciences des Systèmes) est en la
matière le vecteur stratégique de l’Alliance Centrale Paris – Supélec ;
• le développement de coopérations fortes avec nos partenaires acadé-
miques et industriels sur les trois campus de Gif-sur-Yvette, de Metz et de
Rennes est également un élément clé des années à venir : coopérations
multilatérales au sein des pôles de compétitivité et des réseaux thématiques de recherche avancée, coopérations bilatérales notamment via
notre Partenariat pour l’Enseignement et la Recherche en Coopération
avec l’Industrie et les Services (PERCI&S).
Puisse cette édition 2009-2011 de notre Revue Recherche illustrer cette
démarche et convaincre de sa pertinence !
Yet Supélec does not intend to face up to these challenges alone:
• the Institut Carnot C3S (Centrale Supélec Sciences des Systèmes), for
example, remains the strategic vector of the Centrale-Paris / Supélec
Alliance;
• the development of strong ties with our academic and industrial partners
at the three main campuses of Gif-sur-Yvette, Metz and Rennes will also be
a key factor in the coming years, namely thanks to: multilateral cooperation
within the competitive clusters and thematic networks of advanced
research; as well as bilateral cooperation via our well-known Partnership
for Teaching and Research in Cooperation with Industry and Services
(PERCI&S).
May this edition of our Research Review 2009-2011 continue to illustrate
the unique features of our strategy and convince everyone of its relevance!
Alain Bravo
Directeur Général de Supélec
Alain Bravo
Director General
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La recherche à Supélec
Research at Supélec
Jacques Oksman
Directeur de la Recherche
et des Relations Industrielles
de Supélec
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Supélec est une institution de statut privé (association) mais négocie avec
l’État un Contrat Quadriennal. À ce titre, elle doit non seulement se comparer à la recherche publique, dont la priorité est la production académique et qui est évaluée par l’AERES (Agence d’Évaluation de la
Recherche et de l’Enseignement Supérieur) mais aussi à la recherche en
entreprise, puisque son Contrat Quadriennal lui demande de se procurer
50% de son budget (réel, donc incluant les salaires) sous forme de ressources propres (les revenus de la recherche forment la moitié de cellesci). Il s’agit là d’un double défi que Supélec relève par sa volonté d’accroître
son ancrage dans le système français d’enseignement supérieur et de
recherche tout en assurant la croissance durable de son modèle d’économie mixte. La recherche a donc des positionnements sociétaux et scientifiques correspondant à ces défis et cohérents avec la formation des ingénieurs Supélec.
Positionnement sociétal
Supélec veut assurer une continuité totale entre recherches amont et
recherches partenariales (qui interagissent avec le monde socioéconomique). En effet, les recherches amont seules ne servent pas directement la société, les recherches partenariales seules ne permettent pas de
préparer l’avenir. Pour générer des idées nouvelles, le chercheur d’une
école d’ingénieurs doit connaître les tendances et les besoins de la société.
Afin d’assurer cette continuité, Supélec (avec Centrale Paris), bénéficie du
dispositif Carnot, au sein de l’Institut C3S « Centrale-Supélec Sciences des
Systèmes » qui permet d’aider la recherche amont grâce à l’abondement
par l’État du volume des contrats de recherche partenariale.
Supélec is an institution having a private (or association) status. However,
it is entitled to negotiate a 4-year contract with the French government.
Consequently, Supélec must live up to the high standards of State-funded
research, whose priority is academics and thus routinely evaluated by
AERES (Agence d’Evaluation de la Recherche et de l’Enseignement
Superieur – Higher Education Research Evaluation Board). It must also
promote company-sponsored research, since one of the terms of this 4-year
contract requires that Supélec self-finance 50% of its budget (current budget, that is including salaries - revenues generated from research cover up
to half of these funds). Indeed, this represents a double challenge that
Supélec intends to meet thanks to a firm desire to deepen its roots within
the French higher learning system while ensuring the sustainable growth
of a mixed economy model.
Therefore, to meet these challenges and remain consistent with the education and training of Supélec engineers, research has to play a societal as
well as scientific role.
Societal role
Supélec wishes to assure optimal continuity between long-term research
and ensuing research partnerships (which interact with the socio-economic
world). In fact, long-term research alone does not directly serve society, just
as research partnerships alone do not enable us to prepare well for the future. To promote new ideas, researchers of Engineering Schools must be familiar with both the needs and trends of society. To ensure continuity, Supélec
(together with Centrale Paris) is supported by the Carnot system, otherwise known as Institut C3S or « Centrale-Supélec Sciences des Systèmes »,
whereby long-term research is funded thanks to State contributions into
research partnerships.
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Positionnement scientifique
Scientific role
La recherche pratiquée dans une École d’ingénieurs se doit de mettre l’accent sur les couplages forts entre enseignement et recherche d’une part,
disciplines abstraites et applications d’autre part.
Ce sont ces disciplines abstraites (les « sciences des systèmes ») qui sont
au cœur de la stratégie scientifique de Supélec. On considère ici les
sciences des systèmes comme l’ensemble des disciplines qui permettent
d’analyser, concevoir et donc modéliser des systèmes multi-technologiques,
multi-physiques, multi-échelles,… s’appuyant sur le socle des technologies
de l’information et de l’énergie (figure).
Research conducted in an Engineering School strives to place the accent on
strong ties between education and research, on one hand, and the link between abstract fields and applications on the other.
Les « grands domaines »
Major fields of study
Comme souvent, la présentation des activités de recherche se heurte au
dilemme suivant : comment présenter à la fois une volonté de transdisciplinarité (les Sciences des Systèmes) sans trahir les spécialistes et leurs
disciplines propres ? Supélec n’échappe pas à ce dilemme. Aussi, cette
Revue sera organisée selon les sept grands domaines de la figure suivante. Ces domaines sont fortement reliés, les Sciences des Systèmes étant au
cœur de leurs interactions.
Very often the presentation of research activities is stifled by the following
dilemma: how does one present at the same time a cross-disciplinary
approach (ex. Systems Sciences) without betraying the specialists and their
specific fields of activity? Supélec cannot really circumvent this dilemma
either. Nevertheless, this Review will try to organize things into seven major
fields of study (see figure below) closely linked to Systems Sciences since
they are at the center of all interactions.
6
These abstract fields (for ex. Systems Sciences) lie at the very heart of
Supélec’s scientific strategy.
In fact, Systems Sciences are considered the body of knowledge that allows
anyone to analyze, design and even carry out modeling of multi-technological, multi-physical, and multi-scale systems using information- and
energy-based technologies (see figure below).
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Chiffres clés
Key figures
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465 personnels de recherche
465 Research staff
• 215 personnels permanents de recherche
- 130 enseignants-chercheurs de Supélec
- 30 chercheurs CNRS
- 55 universitaires
• 250 doctorants
• 215 Permanent research staff
- 130 Supélec faculty members
- 30 CNRS researchers
- 55 University faculty members
• 250 Ph.D. students
Scientific and technological output (per year)
Production scientifique et technologique
(par an)
• 725 journal papers or major publications
• 17 patents
• 725 publications ou communications majeures
• 17 brevets
Partnerships with companies or organizations
(per year)
• 320 ongoing projects
• 122 partner companies or organizations
• 8.6 M€ research income
Partenariats entreprises et organismes
(par an)
• 320 actions actives
• 122 entreprises ou organismes partenaires
• 8,6 M € de revenus de la Recherche
.....................................................................................................................................................................................................................................
A qui s’adresser ?
Who to contact?
.....................................................................................................................................................................................................................................
Pour toute question à caractère général
For further information, please contact:
Direction de la Recherche
et des Relations Industrielles (D2RI)
http://www.supelec.fr/d2ri Tél : +33 (01) 69 85 12 52
Research and Industry Partnerships
Jacques OKSMAN, Directeur de la Recherche et des Relations Industrielles
Tél. : +33 (0) 1 69 85 12 51
E-mail : [email protected]
Jean-Michel LE ROUX, Adjoint au Directeur de la Recherche et des Relations Industrielles,
chargé de la valorisation et de l’innovation, Directeur Exécutif de l’Institut Carnot C3S
Tél. : +33 (0) 1 69 85 12 55
Bich-Liên DOAN, Adjointe au Directeur de la Recherche et des Relations Industrielles
Tél. : +33 (0) 1 69 85 12 56
Joël JACQUET, Délégué à la Recherche et aux Relations Industrielles, Campus de Metz
Tél. : +33 (0) 3 87 76 47 68
Bernard JOUGA, Délégué à la Recherche et aux Relations Industrielles, Campus de Rennes
Tél. : +33 (0) 2 99 84 45 28
Pour toute information sur un thème
s’adresser aux correspondants désignés sur chaque fiche thématique
For information on research,
topics or examples, please contact:
The main authors specified in each report.
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SOMMAIRE GÉNÉRAL
GENERAL CONTENTS
Institut Carnot C3S « Centrale Supélec Sciences des Systèmes »......................10
Carnot Institute C3S « Centrale Supelec Systems Sciences »
Études doctorales......................11
PhD program
Domaines......................12
Areas
1. Automatique.....15
Control
2. Signaux et Statistiques.....29
Signals and Statistics
3. Informatique et Réseaux.....41
Computer Science and Networks
4. Télécommunications.....57
Telecommunications
5. Électromagnétisme.....73
Electromagnetics
6. Microélectronique et Photonique.....89
Microelectronics and Photonics
7. Énergie.....107
Energy
Mots-clés......................122
Keywords
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Institut Carnot C3S
« Centrale Supélec
Sciences des Systèmes »
.....................................................................................................................................................................................................................................
Les recherches scientifiques et techniques de Centrale Paris et de Supélec
sont intégrées et bénéficient du label « Institut Carnot ». Rappelons qu’un
Institut Carnot a pour vocation de proposer à la société, en particulier aux
entreprises, des compétences de recherche pérennes. Pour cela, il prend un
double engagement : celui de la qualité de la recherche « partenariale »
(recherche effectuée en relation avec les entreprises, dans un cadre
contractuel) et celui de préparer aujourd’hui les compétences scientifiques
qui seront dans quelques années utiles à la société (« ressourcement scientifique »). L’État crée un cercle vertueux en abondant le volume des
contrats de recherche partenariale des Instituts Carnot afin de leur permettre de financer ce ressourcement. Il s’agit donc pour Supélec, comme
pour Centrale, d’un outil idéal pour assurer le « continuum entre
recherche amont et recherche partenariale » déjà évoqué.
Scientific and technical research is carried out jointly between Centrale
Paris and Supélec, which allows both institutions to benefit from the
« Institut Carnot » label. Let us recall that the vocation of an Institut
Carnot is to generate know-how, in particular for companies but also for
society, based on sustainable research. To this end, its commitment is twofold: first, forging high-quality research partnerships (i.e joint research
projects with companies based on special contracts); second, focusing today
on preparing the scientific know-how that will be useful to society in the
future (scientific renewal). The French government creates a virtuous cycle
by contributing funds to the research contracts of Institut Carnot, thus
enabling them to finance their sourcing needs. For Supélec as well as
Centrale Paris, this is the ideal way to ensure continuity between long-term
research and ensuing research partnerships.
L'Institut C3S est l’un des acteurs majeurs de la Science des Systèmes
s'appuyant sur le socle technologique : Information, Communications,
Énergie, Procédés. L'activité de C3S se place à la convergence des technologies dans un but d'innovation et de partenariat de recherche avec le
monde socio-économique.
Ses compétences assurent à l'Institut une présence sur de nombreux marchés : du spatial aux services, en passant par les transports, les télécommunications, la santé, l'économie et les finances.
The C3S Institute is one of the major players in the field of Systems
Sciences (i.e. multi-application sciences) and it is closely interconnected
with such technologies as Information, Communications, Energy and
Processes. The aim of C3S is to provide industry and service companies
alike with highly accurate and innovative solutions. Thanks to its vast
know-how, the Institute’s presence covers a wide range of markets, namely
space, transportation, telecommunications, services, healthcare, economy
and finance.
The Science of Systems
Sciences des systèmes :
principales compétences
Modeling, analysis and control of
complex, non-linear or hybrid systems;
robust/predictive control; statistical
signal processing; non-uniform sampling and singular signal processing;
learning; uncertainty characterization;
multi-physics/multi-scale methods;
optimization; scientific engineering;
knowledge management
Systèmes hybrides, non linéaires, complexes ; commande robuste, prédictive ;
traitement statistique des signaux, à
temps continu ou à échantillonnage irrégulier ; apprentissage, caractérisation de
l’incertitude ; méthodes multi-échelle et
multi-physique ; optimisation ; ingénierie scientifique ; management de la
connaissance
Technologies de base
Technologies
Communications : communications mobiles : théorie, traitements, techniques d’accès multiples (MCCDMA, OFDMA), modulation et codage
adaptatifs, MIMO, estimation de canal…, radio logicielle/cognitive, codage
conjoint source/canal ; composants et systèmes optoélectroniques et microondes; CEM, mesures de rayonnement, matériaux innovants, systèmes
rayonnants complexes, dosimétrie électromagnétique, inversion des
ondes ; antennes et traitements associés ; méthodes de conception de circuits mixtes et de microsystèmes ; circuits de numérisation ; systèmes
enfouis.
Énergie : optimisation de moteurs, combustion, actionneurs électriques ;
réseaux électriques, modélisation électromagnétique, couplages multiphysiques ; fiabilité des dispositifs et composants ; matériaux pour les énergies nouvelles ; maîtrise environnementale et sanitaire par procédés électrochimiques.
Information : maîtrise de l’hétérogénéité des systèmes et de l’information ; sécurité informatique, grilles de calcul, calcul intensif ; traitement
multimodaux ; middlewares ; data mining.
Procédés : matériaux carbonés ; revêtements métalliques ; matériaux
pour l’énergie et les actionneurs ; modélisation des matériaux d’intérêt
pharmaceutique ; traitement des effluents industriels ; bio-procédés.
Communications: mobile wireless communications: theory, signal processing, multiple access techniques (MC-CDMA, OFDMA), adaptive modulation and coding, MIMO, channel estimation, software-defined radio and
cognitive radio; channel/source coding; optoelectronic and microwave
devices/systems; EMC, microwave sensors and probes, electromagnetic
complex structures, electromagnetic dosimetry, inverse problem of waves;
antennas and signal processing; architecture of mixed-signal circuits and
microsystems, next-generation digitizing systems; embedded systems.
Energy: electrical and mechanical systems optimization, electrical
machines, power networks, power electronics; combustion; devices and components reliability; materials for renewable energy; environmental and
medical control by means of electrochemical processes.
Information: heterogeneous information and systems; distributed systems, networks and information systems, security; grid computing; HPC;
image processing, multimodal information processing; embedded software;
data mining.
Processes: carbonaceous materials; metal coatings; energy materials;
material modeling for pharmaceutical application; industrial liquid waste
processing; bioprocesses.
10
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.....................................................................................................................................................................................................................................
Études Doctorales
Ph.D Program
.....................................................................................................................................................................................................................................
Supélec est un important centre de formation de docteurs dans les
domaines des sciences de l’information, de l’énergie et des systèmes, en
accueillant plus de 250 doctorants dans ses équipes propres et dans les
laboratoires dont elle est tutelle. Depuis sa création, le statut privé de
Supélec ne lui permettait pas de délivrer le doctorat. En 2006, un arrêté
définissant les Études Doctorales a levé cette impossibilité de principe.
L’École a alors décidé de poursuivre ses relations avec les Écoles
Doctorales partenaires, dans le cadre de co-accréditations qui lui permettent d’inscrire ses propres doctorants. Avec trois Écoles Doctorales (EDs)
partenaires (STITS - Sciences et Technologies de l'Information des
Télécommunications et des Systèmes à Gif, MATISSE - Mathématiques,
Informatique, Signal, Électronique et Télécommunications à Rennes,
EMMA - Énergie, Mécanique et Matériaux à Metz) Supélec désire d’une
part appliquer les meilleures exigences de qualité (taux d’encadrement,
production scientifique, etc.), d’autre part apporter sa marque propre
(relations industrielles fortes, professionnalisation de la formation, etc.).
Supélec is an important training center for Ph.D students in the field of
information, energy and systems sciences, and it welcomes more than
250 Ph.D students into its research programs and laboratory facilities. At
the beginning, on account of its private status, Supélec was not allowed to
hold Ph.D programs. In 2006, however, a State order defining Doctoral
Studies removed this impediment and paved the way for authorizing its
Ph.D program. Supélec then chose to continue relations with other Ph.D
partner schools, within the framework of a co-accreditation system permitting enrollment of its Ph.D students. Today, there are three Ph.D partner
schools (Ecoles Doctorales – EDs), namely STITS – Sciences et Technologies;
MATISSE – Mathématiques, Informatique, Signal, Electronique et
Télécommunications at Rennes; and EMMA- Energie, Mécanique et
Matériaux at Metz. As a result, Supélec wishes to apply the best quality
standards to its own programs (i.e. optimal faculty/student ratio, scientific publications, etc.) while offering a unique style (thanks to strong industrial relations, highly qualifying and professional environment, etc.).
Début 2009, 269 doctorants étaient présents dans les unités de recherche
de Supélec, 59 étant inscrits à l’École (les premières inscriptions en première année de thèse ont été effectuées en 2007 dans l’ED STITS et en
2008 dans les EDs MATISSE et EMMA). A terme, la quasi-totalité des
doctorants présents dans les équipes propres devraient être inscrits à
Supélec (éventuellement en cotutelle avec des institutions partenaires).
Les deux graphiques qui suivent illustrent l’état actuel des doctorants
présents à Supélec : les ingénieurs y sont majoritaires et les relations avec
les entreprises très importantes.
In early 2009, 269 Ph.D students were actively involved in research labs at
Supélec. Out of these, 59 students were directly enrolled in Supélec’s program (initial enrollments into first-year thesis studies started in 2007 at
STITS and in 2008 at MATISSE and EMMA). In the end, virtually all
Ph.D students taking part in its programs will be enrolled at Supélec (possibly in cooperation with other institution advisor).
The two graphs below illustrate the current status of Ph.D students at
Supélec: engineers hold the biggest share and the number of relations with
industry is quite impressive.
Etudes précédentes
Universitaire
Etranger
9%
Master
Français
Financement
Ingénieurs : 52%
Divers
Supélec
19%
39%
Public
5%
MESR
Ingénieur
Etranger
Nb. Toutes les informations particulières peuvent être trouvées sur les
sites des Écoles Doctorales.
22%
Supélec
Ph.D studies may be conducted at Supélec during any of the research programs mentioned above and in any of the fields described in this Research
Review.
N.B. For further information, please check the websites of each
Ph.D School.
MATISSE :
http://matisse.univ-rennes1.fr/
Recherche Research
Entreprise
8%
23%
Le doctorat peut être préparé à Supélec dans toutes ses équipes de
recherches et dans tous les domaines qui sont décrits dans cette Revue.
18%
12%
Ingénieur
Français
20%
STITS :
http://h0.web.u-psud.fr/stits/
12%
Etranger
13%
Privé : 45%
CIFRE
2009 / 2011
EMMA :
http://www.emma.uhp-nancy.fr/
11
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DOMAINES ET THÈMES
1.
15
29
41
AUTOMATIQUE
1.1 Systèmes non linéaires
1.2 Automatique des systèmes hybrides
1.3 Robustification et retouche de lois de commande
1.4 Commande sous contraintes
1.5 Approche système et procédés industriels
1.6 Estimation et modélisation
............................................................................................................................................................................
2.
SIGNAUX ET STATISTIQUES
2.1 Modélisation statistique du signal
2.2 Traitement statistique de l'information
2.3 Traitement multimodal de l'information
2.4 Traitement multidimensionnel pour le radar
2.5 Signaux et échantillonnage singuliers
............................................................................................................................................................................
3.
INFORMATIQUE ET RÉSEAUX
3.1 Modélisation hétérogène et logiciel enfoui
3.2 Détection d'intrusions
3.3 Sécurité des réseaux auto-organisés
3.4 Systèmes d'informations hétérogènes et adaptatifs
3.5 Systèmes situés
3.6 Systèmes distribués et grilles de calcul
3.7 Performances de systèmes
............................................................................................................................................................................
4.
57
TÉLÉCOMMUNICATIONS
4.1 Communications numériques
4.2 Systèmes de radiocommunications
4.3 Réseaux sans fils distribués et coopératifs
4.4 Radio logicielle / Radio intelligente
4.5 Traitement du signal pour le multimédia
4.6 Systèmes de numérisation
4.7 Outils méthodologiques
............................................................................................................................................................................
5.
73
ÉLECTROMAGNÉTISME
5.1 Techniques de champs proches
5.2 Senseurs et capteurs micro-ondes
5.3 Compatibilité électromagnétique
5.4 Dosimétrie électromagnétique
5.5 Problèmes inverses des ondes
5.6 Électromagnétisme des milieux complexes
5.7 Nouveaux concepts d'antennes réseau
............................................................................................................................................................................
6.
89
MICROÉLECTRONIQUE ET PHOTONIQUE
6.1 Architectures de circuits mixtes et microsystèmes
6.2 Intégration d'algorithmes et systèmes électroniques
6.3 Semi-conducteurs en couches minces pour le photovoltaïque et l'optoélectronique
6.4 Réseaux de détecteurs pour imagerie terahertz
6.5 Transmissions optiques et micro-ondes
6.6 Photonique non linéaire
6.7 Matériaux pour l'UV et composants optoélectroniques
6.8 Contrôle optique des microstructures et capteurs optiques
............................................................................................................................................................................
7.
ÉNERGIE
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
7.7
12
107
Systèmes électriques et réseaux d'énergie
Électronique de puissance
Machines électriques et systèmes de conversion
Décharges électriques à pression atmosphériques et environnement
Matériaux isolants et décharges partielles
Modélisation de systèmes électromagnétiques : matériaux, CEM, CAO et CND
Contacts électriques
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AREAS AND TOPICS
1.
CONTROL
15
29
41
1.1 Nonlinear systems
1.2 Hybrid systems control
1.3 Robustification and retuning of control laws
1.4 Constrained control laws
1.5 System approach and industrial processes
1.6 Estimation and modeling
............................................................................................................................................................................
2.
SIGNALS AND STATISTICS
2.1 Statistical signal modelling
2.2 Statistical information processing
2.3 Multimodal information processing
2.4 Multidimensional processing for radar applications
2.5 Singular sampling and signal processing
............................................................................................................................................................................
3.
COMPUTER SCIENCE AND NETWORKS
3.1 Heterogeneous modeling and embedded software
3.2 Intrusion detection
3.3 Self-organized networks security
3.4 Heterogeneous and adaptive information systems
3.5 Situated systems
3.6 Distributed systems and computing grids
3.7 System performance
............................................................................................................................................................................
4.
TELECOMMUNICATIONS
57
4.1 Digital communications
4.2 Wireless communications systems
4.3 Distributed and cooperative wireless networks
4.4 Software radio and Cognitive radio
4.5 Signal processing for multimedia
4.6 Digitization systems
4.7 Methodological tools
............................................................................................................................................................................
5.
73
ELECTROMAGNETICS
5.1 Near-field techniques
5.2 Microwave sensors and probes
5.3 Electromagnetic compatibility
5.4 Electromagnetic dosimetry
5.5 Inverse wave problems
5.6 Electromagnetics of complex media
5.7 New concepts of phased array antenna
............................................................................................................................................................................
6.
MICROELECTRONICS AND PHOTONICS
89
6.1 Architectures of mixed-signal integrated circuits and microsystems
6.2 Algorithm integration and electronic systems
6.3 Thin film semiconductors for photovoltaics and optoelectronics
6.4 Detector arrays for terahertz imaging
6.5 Optical and microwave transmissions
6.6 Non linear photonics
6.7 UV materials and optoelectronics devices
6.8 Optical control of microstructures and optical sensors
............................................................................................................................................................................
7.
ENERGY
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
7.7
Power systems
Power electronics
Electrical machines and drives
Atmospheric pressure electrical discharges and environment
Insulating materials and partial discharges
Modeling of electromagnetic systems: materials, EMC, CAD and NDT
Electrical contacts
Recherche Research
2009 / 2011
107
13
Chapitre 1:Chapitre 1.qxd 26/10/09 14:03 Page1
14
1. AUTOMATIQUE
CONTROL
1
15
1.
AUTOMATIQUE
CONTROL
1.1
Systèmes non linéaires
Nonlinear systems
L'exigence croissante des secteurs applicatifs en termes d'objectifs et de
performances, liée aux possibilités accrues des moyens de calcul, stimulent la recherche fondamentale vers les cas difficiles. Prendre en compte
les aspects non linéaires et autres complexités du comportement dynamique devient incontournable pour le succès du contrôle. De telles problématiques sont étudiées au sein de la Division « Systèmes » du L2S.
Quelques aspects sont indiqués ci-dessous.
The increasing request of the applicative sector regarding goals and performances linked to new computing facilities stimulates fundamental
research oriented to challenging cases. As a consequence, nonlinear and
many other complexities of the dynamical behaviour have to be taken into
account for a successful control. Such problems are studied by the team
“Systems” at the L2S. Some aspects are described below.
...........................................................................
...........................................................................
Sujets
Topics
1. Systèmes embarqués et en réseau
Prise en compte de la topologie du réseau (plusieurs niveaux, de différentes tailles et échelles de temps) et des contraintes de communication. Développement de nouvelles méthodologies (modélisation, contrôle, commande, estimation d'états) afin d'assurer de bonnes performances, être robuste aux perturbations et fiable.
1. Embedded and networked systems
Taking into account the network topology (multiple levels, different sizes
and time scales) and constraints of communication. Development of new
methodologies (modeling, control, state estimation of parameters) to
ensure good performances, be robust to disturbances and reliable.
2. Synchronisation dynamique
Il s'agit de faire en sorte que deux ou plusieurs systèmes dynamiques
se comportent de façon coordonnée, que les trajectoires de l'un suivent
asymptotiquement celles de l'autre. On s'intéresse à la synchronisation
de systèmes mécaniques ou de systèmes en formation (vaisseaux
marins, automobiles).
3. Systèmes à retards
Parmi les objectifs scientifiques, on cite une meilleure compréhension
des effets induits par les retards sur les dynamiques des systèmes
interconnectés afin d'améliorer les comportements dynamiques avec
des stratégies adaptées aux cas. Les « stratégies » peuvent être des lois
de commande locales (réseaux de distribution), des traitements (leucémies) ou des algorithmes (synchronisation des mouvements à travers
des réseaux).
4. Systèmes discrets et échantillonnés
Comprendre la transposition sous échantillonnage des propriétés structurelles et de commande d'un système dynamique continu est fondamental au développement de stratégies échantillonnées maintenant ou
améliorant les objectifs et performances d'un schéma continu en termes
de stabilité interne, robustesse, ….
5. Contrôle robuste via la passivité, l'immersion, l'invariance
La « commande via la passivité », introduite par Ortega et Spong il y a
20 ans, est devenue une méthode standard exploitant la propriété physique fondamentale de passivité. Combinée aux techniques d'immersion
et d'invariance, elle a récemment suscité plusieurs avancées intéressantes.
Pour tout renseignement s'adresser à :
Antoine CHAILLET,
Francoise LAMNABHI-LAGARRIGUE,
Antonio LORIA,
Elena PANTELEY,
William PASILLAS-LEPINE
Sujets 1, 2 / Topics 1, 2
L2S - Division Systèmes
Tél. : 33 (0) 1 69 85 12 12
[email protected]
16
2. Dynamical synchronization
Synchronisation of dynamical systems consists in making two or more
dynamical systems to behave in a coordinated way and, in particular,
making the trajectories of one system follow asymptotically, the trajectories of another system. We are interested in the synchronisation of
mechanical systems and formation of physical systems (marine, automotive).
3. Time-delay systems
Among the scientific objectives we cite a better comprehension of the
effects induced by the delays on the dynamics of interconnected systems
for improving the dynamical behaviors by using appropriate strategies.
The "strategies" can be local control laws (supply networks), treatment
methods (leukemia) or algorithms (motion synchronization over networks.
4. Discrete-time and sampled-data systems
To understand the preservation of structural and control properties of a
given continuous-time control system is basic to provide digital control
strategies maintaining, even improving, the objectives and performances
of a continuous design in terms of internal stability or robustness,….
5. Robust control via passivity, immersion, invariance
« Passivity-based control », introduced by Ortega and Spong, 20 years
ago, is now a standard technique for controller design, that effectively
exploits the fundamental physical property of passivity. Combining this
with the classical techniques of system immersion and manifold invariance has given rise to a series of interesting results in the last few
years.
Silviu NICULESCU
Sujet 3 / Topic 3
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 17 15
[email protected]
Dorothée
NORMAND-CYROT
Sujet 4 / Topic 4
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 17 48
[email protected]
Romeo ORTEGA
Sujet 5 / Topic 5
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 17 66
[email protected]
1.1 Systèmes non linéaires
Nonlinear systems
.....................................................................................................................................................................................................................................
Contrôle intégré d'un système PAC et ses auxiliaires
Romeo Ortega
Françoise Lamnabhi-Lagarrigue
par une approche dynamique
A dynamic approach for energy management of a fuel cell-based system
.....................................................................................................................................................................................................................................
Abstract Efficient transfer of electric energy between various generating sources, storing devices and loads is a problem that arises in
many practical applications, including electric cars and isolated generating utilities. Energy transfer is currently achieved
translating the power demand of the components into current (or voltage) references that are, subsequently, tracked with standard controllers - usually proportional plus integral. According to the physical characteristics of the components, in particular,
their time responses, linear (low or high-pass) filters are then introduced to discriminate fast and low changing power demand
profiles. This ``steady-state'' approach will clearly behave below par during the transients, or when fast responses are required.
In this research a new approach to dynamically control energy flow is proposed. The main ingredient is the inclusion of a dynamic energy router, which is a nonlinear device that instantaneously transfers the energy among the units. The flow direction
and the rate of change of the energy transfer are regulated with a single scalar parameter. A power electronic implementation
of the device, and its corresponding nonlinear controller, for application in a fuel cell-based system are then proposed.
Enjeux économiques
La pile à combustible (PAC) à membrane polymère est une solution extrêmement prometteuse pour un véhicule tout électrique. Cette technologie
offre plusieurs avantages, dont une excellente efficacité énergétique, une
densité de puissance élevée, un fonctionnement silencieux et l'absence
d'émissions d'échappement nocives. Les piles à combustible convertissent
en électricité un mélange d'oxygène et de gaz riche en hydrogène; cette électricité est transmise à des moteurs électriques pour propulser le véhicule.
Dans un système optimal, fonctionnant à l'hydrogène pur, la vapeur d'eau
est le seul sous-produit de la pile à combustible. Il n'y a aucune pollution
atmosphérique. Toutefois, de nombreuses questions techniques restent en
suspend, au niveau de la durée de vie des systèmes à pile à combustible, de
leur autonomie (problème du stockage de l'hydrogène) et aussi du coût, pour
l'instant prohibitif. Il est à ce jour bien connu que ces verrous technologiques ne trouveront pas de solutions plausibles sans l'appui d'une
recherche fondamentale forte et multidisciplinaire. C'est dans cet esprit que
s'inscrit notre collaboration SUPELEC-LGEP-L2S, en partant d'une modélisation du système complet pile et auxiliaires et en développant des commandes basées sur une approche structurée et formalisée s'appuyant sur de
solides méthodologies qui répondront aux exigences d'un cahier des charges.
Objectifs de recherche
i) Développement d'une base théorique pour la modélisation, l'analyse, la
conception et le diagnostic de contrôles intégrés pour une gestion optimale de la production et du stockage de l'énergie d'une pile à combustible
et
ii) Validation des résultats sur un banc d'essais récemment mis en place au
LGEP grâce à des fonds notamment de la communauté européenne (par
le Réseau d'Excellence HYCON), du RTRA DIGITEO et du CNRS.
sont des systèmes vérifiant la balance d'énergie,
où Hi est la fonction d'énergie (électrique + magnétique). D'autre part, ER
(Energy Router) est un dispositif d'électronique de puissance qui interconnecte deux systèmes électriques et assure le transfert d'énergie entre eux.
Ceci est réalisé en imposant au dispositif le comportement suivant,
Par suite,
Selon le signe de , l'énergie est transmise d'un système à l'autre. De plus,
le taux de transfert peut aussi être choisi en sélectionnant l'amplitude de .
Dans notre application, les systèmes
vont être des composants du
système en étude (pile à combustible, super-condensateurs, batteries,
charges, etc…), et le ER est le convertisseur à développer et à commander
pour assurer le bon transfert d'énergie.
Spécificités de notre approche
Les principales spécificités de notre approche, qui la distingue des techniques existantes, sont :
i) L'incorporation explicite, dans le modèle, des dynamiques (non-linéaires
et commutées) des divers composants du système de génération de puissance.
ii) La formulation de l'objectif de contrôle comme un problème intégré qui,
tenant compte des couplages entre les différents composants du système,
vise à l'établissement des interconnexions exigées qui réalisent les transferts d'énergie/masse désirés.
Les commandes ainsi développées visent à assurer des performances importantes en termes de fiabilité et de robustesse, permettant ainsi, une meilleure optimisation de la production d'énergie et une plus grande durée de vie
de la pile. La technique utilisée se base sur le développement d'un dispositif qui peut transmettre l'énergie dans les deux sens une fois placé entre
deux composants du système. Son intérêt majeur est le fait qu'il permet un
transfert instantané d'énergie sans dissiper de l'énergie. Ce dispositif,
comme un convertisseur ordinaire, est constitué des composants d'électronique de puissance. Le schéma ci-contre représente deux composants interconnectés par le dispositif proposé
Recherche Research
Cette approche permet également une utilisation rationnelle et limitée du
nombre de capteurs du système pile et, lorsque c'est nécessaire, la conception d'observateurs [3].
Références
[1] R. Ortega, A. van der Schaft, F. Castaños et A. Astolfi, Control by
state-modulated interconnection of port-hamiltonian systems, IEEE
Transactions on Automatic Control (Regular Paper), Vol. 53, No. 11,
pp. 2527-2542, 2008.
[2] M. Hernandez-Gomez, R. Ortega, F. Lamnabhi-Lagarrigue et
G. Escobar, Adaptive PI Stabilization of Switched Power Converters,
IEEE Transactions on Control System Technology, 2009 (à paraître).
[3] T. Ahmed-Ali, G. Kenne et F. Lamnabhi-Lagarrigue, Identification
of nonlinear systems with time-varying parameters using a slidingneural network observer, Neurocomputing, Vol. 72 , No. 7-9, pp. 16111620, 2009.
2009 / 2011
17
1.
AUTOMATIQUE
CONTROL
1.2
Automatique des systèmes hybrides
Hybrid systems control
Les contraintes économiques et environnementales induisent des exigences de plus en plus importantes sur la maîtrise du comportement des
systèmes. Alors même que ces systèmes sont de plus en plus complexes, la
satisfaction de ces exigences demande de prendre en compte globalement
leur comportement. D'autre part, cette complexité favorise le développement de systèmes de commande distribués en réseaux qui, d'un point de
vue pratique, permettent de la maîtriser.
Il est donc nécessaire d'intégrer dans la conception de la commande les
évolutions de modèles (en fonction des modes de fonctionnement et des
changements d'objectif), les incertitudes de modélisation et les limitations
d'échange d'information entre les composants de commande. Les modèles
et les approches hybrides intégrant les dynamiques continues et événementielles des systèmes sont des outils puissants pour permettre cette
prise en compte.
Nos objectifs sont d'étudier et de développer un ensemble de formalismes
et de méthodes prenant en compte la spécificité des systèmes hybrides
pour permettre leur modélisation, l'analyse et la vérification de leur comportement, ainsi que la synthèse de leur commande (dans ses composantes
algorithmiques et méthodologiques).
Ces travaux contribuent aux avancées dans différents domaines tels que
l'automobile, le contrôle industriel, l'énergie… mais aussi le bio-médical.
Ils s'intègrent dans diverses actions européennes telles que le réseau
HYCON, ou les projets HDMPC et ISiPADAS.
Economic and environmental constraints lead to increasing requirements
for controlling the behavior of systems. While systems are more and more
complex, it is necessary to fulfill these requirements to consider their global
behavior. Moreover this complexity often leads to use distributed control
that makes it possible to control bigger systems.
It is then mandatory to take into account in the control design the modeling uncertainties, the changes in models (with modes and objectives switching) and the communication limitations. The hybrid models and
approaches that take into account continuous and discrete dynamics are
powerful tools that allow this integration.
The aim of this research is to develop a set of formalisms and methods that
could take into account the specificity of hybrid systems, enabling their
modeling, analysis and behavior checking, as well as the synthesis of their
control (taking into account algorithmic and methodological aspects).
This work can be successfully applied to various application domains such
as automotive, industrial control, energy management… but also bio-medical systems. It is partly integrated within various European frameworks
such as the HYCON network or the HDMPCand ISiPADAS projects.
...........................................................................
...........................................................................
Sujets
Topics
1. Systèmes physiques en commutations
Modélisation et analyse en électronique de puissance.
Commande stabilisante des systèmes physiques en commutation.
1. Switching physical systems
Modeling and analysis in power electronics.
Stabilizing control of switching physical systems.
2. Commande distribuée et hiérarchisée
Commande prédictive distribuée des systèmes hybrides incertains.
Application à l'efficacité énergétique des bâtiments et des installations
industrielles.
2. Distributed and hierachical control
Predictive distributed control of uncertain hybrid systems.
Distributed optimization.
Energetic efficiency of buildings and industrial plants.
3. Sûreté fonctionnelle
Vérifications de propriétés.
Calculs sûrs d'atteignabilité et abstraction.
3. Functional safety
Safety verification.
Reachability computations.
Abstractions of dynamical systems.
4. Système bio-médicaux
Régulation de la glycémie pour les patients atteint de diabète.
Hervé GUÉGUEN
Équipe ASH - IETR
Campus de Rennes
Tél. : 33 (0) 2 99 84 45 04
18
4. Bio-medical systems
Glycaemia control for diabetic patients.
1.2 Automatique des systèmes hybrides
Hybrid systems control
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Distributed predictive control of a Supermarket Refrigeration System
Commande prédictive distribuée d'un système de réfrigération
de supermarché
Hervé Guéguen
Romain Bourdais
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Résumé
Nous appliquons une commande prédictive distribuée au cas test de système de réfrigération de supermarchés défini dans le
cadre du réseau HYCON. Ce système est en effet un exemple de système non-linéaire commandé par des variables tout ou rien
pour lequel des objectifs d'optimisation dans le respect de contraintes de fonctionnement ont été définis. L'objectif de notre
approche est de dépasser les limitations liées à la complexité de calcul des précédentes propositions de commande prédictive en
distribuant la commande. Pour ce faire nous utilisons un mécanisme de prix afin de permettre la synchronisation des différents
contrôleurs.
Introduction
Supermarket Refrigeration Systems are an example of non-linear hybrid
systems where components that are controlled by logical switched inputs
interact by means of continuous variables. Within the HYCON network a
benchmark based on these systems has been specified by an industrial partner. The system considered in this study is made of three display cases and
three compressors and the aim is to control the inlet valves of the display
cases and the switch on and off of the compressors in order to fulfil the
constraints on the temperature inside the cases and on the pressure of the
suction manifold. The classical control of these systems is a distributed
control where each display case is locally controlled according to its temperature. This non-coordinated control leads to the synchronization of the display cases and frequent switch on and off of the compressors. In order to
overcome these drawbacks different Model Predictive Control scheme have
been proposed [1, 2]. However they are based on a global view of the system
that leads to an exponential complexity when the number of display cases
increases. We have proposed a decentralised model predictive control of this
system in order to make it possible to efficiently control the system while
dealing with this complexity.
where Pf is an auxiliary price variable and Fi the predicted consumption of
refrigerant flow and for the compressor rack:
where F is the optimum value of the flow from the point of view of the compressors according to the value of the price.
The global optimization is performed by a first step where the local criterion
of the compressors rack is minimized. Then in a second step the criteria for
all display cases are minimized and in a third one the new value of the price
is computed according to:
These steps are iterated until the various components agree on the value of
the flow and the price does not evolve any more. At each sampling time the
price is initialized with its final value at the previous time in order to favor
the convergence of the iteration. However the aim is to implement the
controller in a real-time framework, so we have limited the number of iterations to reach the agreement and assessed the performances of the control
with these limitations.
Control structure
The control structure is given in figure 1. One controller is associated with
each display case and one with the rack of compressors. These controllers
interact by means of the value of the pressure predicted by the controller of
the compressors and a so-called price mechanism for the consumption of
refrigerant flow.
Table 1: Performance measure variables
Figure 1: Distributed control structure
The performances are considered according to three variables expressed as
mean on the experiment time, the first one (Dcst) measures the constraints
violation, the second one (Dsw) the number of switching and the last (Dpw)
the power consumption. The results for controllers with 1 iteration
(DMPC1), 2 iterations (DMPC2) and 8 iterations (DMPC8) are summed up
in table 3. It can be noticed that the results are better with the predictive
approach but that there are no significant differences between the 3 limitations of iteration. A precise analysis of the number of iterations at each step
(when the maximum number is 8) shows that the average number of iterations for the experiment is 2.2, and that in most cases the value is 1.
This work achieves interesting results as for example it has been easily
extended to the case with ten display cases but it also opens very important
questions about the approach. The main one is that, as hybrid systems are
considered, it is possible that the agreement phase does not converge. It is
then important to characterize these cases in order to specify strategies to
avoid them.
Results and open points
The global aim of the predictive control is to determine, on the prediction
horizon, the control that minimizes the following criteria:
References
[1] D. Sarabia, F. Capraro, L.F. Larsen and C. de Prada, (2009),
“Hybrid NMPC of supermarket display cases”, Control Engineering
Practice, 17(4), 428 - 441.
where Jd(i) is a criterion for a display case and Jc is a criterion for the compressors. In order to solve this problem in a distributed way auxiliary
variables are introduced [3] and the following local criteria are considered
for each display case:
Recherche Research
[2] C. Sonntag, A. Devanathan and S. Engell (2008), “Hybrid NMPC
of a supermarket refrigeration system using sequential optimization”, in IFAC World Congress, 13901-13906.
[3] A. Rantzer (2009). “Dynamic dual decomposition for distributed
control”, in American Control Conference 09.
2009 / 2011
19
1.
AUTOMATIQUE
CONTROL
1.3
Robustification et retouche de lois de commande
Robustification and retuning of control laws
Pour résoudre les problèmes de plus en plus complexes qui relèvent de
l'Automatique, les modèles mis en œuvre sont suffisamment simples pour
être utilisables mais dès lors sujets à des incertitudes. On est donc conduit
à exiger la robustesse de la commande, de sorte que les propriétés de l'asservissement puissent être garanties en dépit des différentes sources d'incertitudes de modèle.
La puissance accrue des moyens de calcul permet désormais d'envisager
soit la robustification de lois de commande existantes, soit la synthèse de
la commande sous l'angle d'un problème d'optimisation, en général multicritères. Parallèlement se fait sentir le besoin de méthodes d'analyse puissantes et précises des performances et de la robustesse, et d'une évaluation du potentiel de ces approches dans le cadre non-linéaire. Dès lors, il
s'avère important de développer des approches globales et systématiques
pour poser les divers problèmes d'analyse, de robustification et de
retouche de correcteurs, et de mettre en place dans tous les cas des procédures pratiques, simples et efficaces.
To solve increasingly complex control problems, models considered during
the design of control laws must be simple enough for use but are unavoidably subject to uncertainties. Robustness of the control law is therefore
required in order to guarantee the properties of the controlled system despite different modelling uncertainties.
Recent improvement in computer capabilities allows us to considerer either
robustification of existing control structures, either the design of a control
law as an optimisation problem, which in general is more precisely a multiobjective one. Meanwhile, new requirements are emerging concerning
powerful and efficient analysis methods, capable of providing useful
insight on performance and robustness, and evaluating the possibilities of
such strategies in a non-linear context. Therefore, global and systematic
approaches are to be developped for expressing different control problems,
such as analysis, robustification and retuning of control laws.
...........................................................................
...........................................................................
Sujets
Topics
1. Analyse de robustesse
Développement d'outils méthodologiques pour les systèmes nonlinéaires et les systèmes linéaires à paramètres variants.
Développement de procédures par inégalités matricielles pour l'étude
des performances et de la robustesse d'une commande.
Recherche de propriétés caractérisant la robustesse d'un système dynamique non-linéaire.
1. Robustness analysis
Methodology for the development of design tools for nonlinear systems
and linear parameter varying systems.
Development of matrix inequality based procedure for performance and
robustness analysis.
Properties investigations for characterization of the robustness of dynamic nonlinear systems.
2. Robustification hors-ligne de lois de commande sans contrainte
Prise en compte d'incertitudes de modèles.
Robustification par la paramétrisation de Youla, afin de définir la classe de régulateurs garantissant stabilité et performances pour un niveau
d'incertitudes donné.
Application à la commande d'axes de machine-outil et en mécatronique.
Extension aux systèmes multivariables.
2. Off-line robustification of unconstrained control laws
Inclusion of model uncertainties.
Robustification via Youla parametrization, in order to define a complete
set of controllers ensuring stability and performance for a given level of
uncertainties (e.g. model uncertainties).
Application to axis control of machine tools and mechatronics.
Extension to multivariable systems.
3. Retouche de lois de commande en temps réel
Retouche de correcteurs par optimisation en ligne via des techniques
d'apprentissage locales, combinées avec un réseau de neurones RBF
(Radial Basis Function).
Mise à jour de lois de commande par des techniques d'identification en
ligne, application dans le domaine sidérurgique à la régulation de
niveau en coulée continue.
3. On-line retuning of control laws
Retuning of control laws by means of on-line optimization techniques,
based on local learning techniques, combined with RBF neural network
(Radial Basis Function).
Update of control laws by means of on-line identification techniques,
application in the iron and steel industry to the level control in continuous casting.
Gilles DUC
Département Automatique
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 13 88
20
Pedro RODRIGUEZ
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 13 74
1.3 Robustification et retouche de lois de commande
Robustification and retuning of control laws
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Retuning control for a thermal power plant
Retouche de régulateur pour une centrale thermique
Pedro Rodriguez
Sihem Tebbani, Gilles Duc
En collaboration avec EDF R&D
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Résumé
Deux approches ont été mises en œuvre pour retoucher les lois de commande avancées développées par EDF pour une centrale
thermique, processus complexe où plusieurs sorties doivent être contrôlées pour faire face à différentes demandes et perturbations. Dans la première, le régulateur est restructuré et complété de façon à améliorer le comportement en poursuite et en régulation. Dans la seconde des commandes additionnelles sont générées en utilisant un modèle inverse du processus.
Introduction
Electricité de France (EDF) has developed advanced coordinated control
laws for its coal-fired power plants. However such processes are difficult to
model and their dynamics may vary due to plant ageing or operational
conditions. Thus the aim of this study was to improve the plant behavior by
tuning the control law. However the new controller must not disturb the
designed structure and should be easily removable. Two methods have been
tested: the first modifies the controller using the Youla parameterization,
the second is based on an inverse model of the plant.
Coal fired power plant control
EDF has three Q600 coal-fired power plant (figure 1). The control law has
to control electrical load Peb, superheat pressure Ps and low temperature
superheater output temperature TSBT, by means of coal flow setpoint
ref Qc, high pressure throttle valves opening setpoint ref OHP and feedwater flow setpoint ref Qea. Two main disturbances, which are also measured, are burner tilting ref Ib and desuperheater water flow setpoint
ref Qis. Another measure is pressure at separator Psep.
input/output behavior. The closed-loop specifications being convex in Q1Q2, these parameters are solution of a convex optimization problem. Q1
has been synthesized in order to improve the disturbance rejection, namely to reduce the impact on temperature TSBT of input Qc. Q2 has been calculated to reduce the overshoot in temperature TSBT due to a set point
change in the electrical load Peb.
Tuning by inverse model
Another approach has been tested on the same problem (figure 3). An additional control law is designed following a kind of inverse control strategy:
the idea is to compare the obtained outputs to a reference trajectory and to
deduce the control inputs that compensate these errors, by applying an
inverse model. Low-pass filters are added to eliminate too fast variations. In
addition the gains of these filters are multiplied by 0.01 so that the additional control input is only 1% compared to the control input generated by the
main controller. In fact, the new controller must not destroy the main closed-loop properties obtained when designing the main controller.
Figure 3: Closed-loop structure with additional controller
Experimental results
Both methods give very satisfying results. Figure 4 shows that the first
one reduces the impact on temperature TSBT of a disturbance on ref Qc
(left); and that the second one greatly improves the tracking of a ramp on
electrical load and rejection of a disturbance on ref Qc (right).
Figure 1: Schematic representation of the process.
Tuning by Youla parameterization
In this approach the existing controller is first restructured in order to
split the regulation (disturbance rejection) and the input/output (tracking)
behaviors. Two dynamic systems Q1, Q2 are then introduced in this new
structure (figure 2).
Figure 4: Experimental results
References
[1] L. Deprugney, A. Girard, S. Maurin, H. Jestin, “New Advanced
Coordi-nated Controller for Once-Through Boiler and Turbine of
Coal-Fired Power Plant”, 16th Annual Joint ISA/POWID/EPRI
Instrumentation and Controls Conference, 2006.
Figure 2: Closed loop structure with the Youla parameters
Known as Youla or Q-parameters, they can parameterize all stabilizing
controllers of the plant, and allow deriving convex closed-loop specifications. Q1-parameter modifies the closed-loop features keeping the
input/output transfer unchanged while Q2-parameter modifies the
Recherche Research
[2] S. Tebbani, M. Midou, L. Deprugney, A. Girard and G. Duc,
“Inverse model approach to “online” performance enhancement for
coal-fired power plant”. IEEE Multi-conference on Systems and
Control, Saint-Petersburg, 2009.
[3] C. Stoica, P. Rodriguez-Ayerbe, D. Dumur , “Off-line improvement
of multivariable model predictive control robustness”, 46th IEEE
Conference on Decision and Control, pp. 2826-2831, New Orleans,
USA, 2007.
2009 / 2011
21
1.
AUTOMATIQUE
CONTROL
1.4
Commande sous contraintes
Constrained control laws
Les méthodes classiques de synthèse de lois de commande entraînent bien
souvent une alternance de phases de synthèse et d'analyse permettant de
vérifier a posteriori que les contraintes non prises en compte a priori sont
effectivement satisfaites. Face au besoin toujours plus pressant d'optimiser le fonctionnement des systèmes, la prise en compte de toutes les
contraintes apparaît comme un enjeu fondamental de la théorie des systèmes.
Dans ce contexte, ce thème de recherche s'attache à prendre en compte des
contraintes intervenant sur le système dès la phase de synthèse des lois
de commande. A cette fin, différentes approches sont développées : d'une
part l'élaboration hors-ligne de solutions explicites, permettant ainsi de
réduire le temps de calcul dans la phase temps réel pour des systèmes
rapides ; d'autre part des approches basées sur des stratégies d'optimisation sous contraintes ; enfin des structures de commande non-linéaires
permettant notamment une planification de la trajectoire à suivre.
Classical methods for the design of control laws lead most often to a combination of design and analysis phases, enabling to check a posteriori that
the constraints which are not a priori considered are effectively fulfilled.
Being faced to a more and more important need for optimization of the system behaviour, taking into account constraints appears to be a challenging
issue for the system theory.
In this framework, this research theme aims at considering constraints
appearing on the system at an early stage during the design of the control
laws. For that purpose, several different approaches are developed: off-line
elaboration of explicit solutions, which provide a significant reduction of
the calculation time during the real-time phase, being of most interest for
fast systems; approaches based on optimization strategies under
constraints; finally nonlinear control structures which allows in particular
trajectory planning.
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...........................................................................
Sujets
Topics
1. Recherche de solutions explicites
Développement d'outils méthodologiques basés sur les théories des systèmes incertains et de la commande robuste, permettant la prise en
compte de contraintes en temps réel par détermination de solutions
explicites.
1. Elaboration of explicit solutions
Development of methodologies combining theories that stem from systems subject to uncertainty and robust control, taking into account realtime constraints, followed by determination of explicit solutions.
2. Optimisation sous contraintes
Réduction du modèle du système à optimiser afin d'obtenir des problèmes d'optimisation approchés mais solvables.
Utilisation d'algorithmes approchés tels que les métaheuristiques pour
la résolution générique de problèmes d'Automatique présentant des
contraintes non différentiables ou non analytiques.
Prise en compte des contraintes de structure de la loi de commande
dans la phase de synthèse.
2. Constrained optimization
Model reduction of the system that has to be optimized in order to obtain
sub-optimal but feasible optimization problems.
Development of approximated algorithms, such as metaheuristics, for a
generic resolution of problems with non differentiable and non analytic
constraints.
Consideration of structural constraints of the control law during the
design phase.
3. Approche par la théorie de la viabilité
Construction d'ensembles invariants pour l'analyse de la viabilité des
systèmes affectés par des incertitudes paramétriques, définition de trajectoires viables.
Etude des liens entre faisabilité et robustesse dans le cas de la commande prédictive.
3. Approach based on the viability theory
Elaboration of invariant sets in order to perform a viability analysis of
systems subject to parametric uncertainties, coupled with the definition
of viable trajectories.
Study of the existing links between feasibility and robustness in the particular case of predictive control.
4. Lois de commande non-linéaires et génération de trajectoires
Planification de trajectoires, conception de lois de commande prédictive
non-linéaires à horizon fini et implantation temps réel.
Synthèse de commandes non-linéaires (par retour d'état statique ou
dynamique, par backstepping ou par modes glissants) sur des systèmes
dynamiques non-linéaires.
Stabilisation de systèmes dynamiques non-linéaires autour de trajectoires de référence.
4. Design of nonlinear control laws and trajectory generation
Trajectory planning, design of nonlinear finite horizon predictive control
laws and real-time implementation architecture.
Synthesis of non-linear control laws (by static or dynamic state feedback, by backstepping or sliding modes) for dynamic nonlinear systems.
Stabilization of nonlinear dynamic systems along reference trajectories.
Didier DUMUR
Guillaume SANDOU
Sorin OLARU
Houria SIGUERDIDJANE
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 13 75
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 13 86
E-mail: [email protected]
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Campus de Gif
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22
1.4 Commande sous contraintes
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Particle Swarm Optimization for controller design
Optimisation par essaim particulaire pour la synthèse de correcteurs
Guillaume Sandou
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Résumé
L'optimisation est au cœur des méthodes de synthèse de correcteurs (commande LQG, commande Hx,…). La démarche classique
consiste à utiliser un modèle simplifié (modèle linéaire avec des dynamiques négligées par exemple) et à utiliser des reformulations afin d'obtenir des problèmes d'optimisation résolubles de manière exacte. Cependant, les systèmes industriels devenant
de plus en plus complexes, la détermination de modèles simplifiés devient difficile. En outre, il devient primordial de prendre
en compte toutes les contraintes lors de la phase de synthèse. Enfin, il ne s'agit plus seulement pour les industriels de satisfaire un cahier des charges, mais plutôt d'optimiser le fonctionnement de leurs systèmes. Pour toutes ces raisons, les problèmes
d'optimisation à résoudre deviennent éminemment complexes. Nous proposons ici d'utiliser l'optimisation par essaim particulaire pour la synthèse de correcteurs. La méthode est appliquée avec succès pour la synthèse de PID, pour l'optimisation des
filtres de pondération de la synthèse Hx, pour la synthèse d'ordre réduit, ou encore dans le cadre de la commande prédictive
non linéaire.
Introduction
Optimization is widely used in Automatic Control for the design of control
laws (LQG, Hoo, predictive control…). However, the traditional approach is
based on simplified and highly tractable models and constraints, allowing
the use of exact optimization solvers (LMIs, SQP, Riccati solvers…). This efficient approach may fail for complex systems. Further, many constraints cannot be tractably expressed and have to be a posteriori checked.
The idea of the proposed approach is to consider all the constraints during
the synthesis procedure. In other words, a difficult optimization problem has
to be solved, encompassing some non linear, non convex and non analytical
constraints and cost functions. For that purpose, a particle swarm optimization algorithm, belonging to the class of metaheuristic methods, has been
chosen for the solution to those problems. The algorithm has been introduced by Kennedy and Eberhart in the mid 90s and is inspired by the social
behavior of bird flocking or fish schooling [1]. Much than satisfactory results
have been achieved, proving the viability and the versatility of the approach.
An example: reduced order Hoo synthesis
The method has been tested for a well known problem: the reduced order
Hoo synthesis. Consider the closed loop of figure 1.
Figure 1: Classical closed loop structure
The problem refers to the solution to:
(1)
where
K(s) denotes the order of K(s).
In the traditional approach, specifications have to be reformulated as templates on the transfers of the closed loop system, leading to the definition of
fictive filters in the synthesis procedure. This has not to be done in our
approach. Indeed, any performance criterion (frequency or temporal templates on any transfer of the loop) is a function of the controller parameter
and thus can be written as a constraint for the optimization problem (1).
Note that these constraints have non differentiable or even non analytic
expressions. Thus, the optimization problem will be solved by a Particle
Swarm Optimization algorithm. The method has been tested for a pendulum in the cart depicted in figure 2.
For that example, the full order Hoo synthesis leads to a controller of order 6
with a Hoo norm of the closed loop system 1.06; a classical Hankel singular
values reduction of the controller to the order 2 leads to a Hoo norm of 56.7.
The results of the Particle Swarm Optimization are given in table 1 for the
synthesis of an order 2 controller.
Table 1: Results of the Particle Swarm Optimization algorithm
As the algorithm is a stochastic one, the validation can only be made by statistical data. That is why the algorithm has been performed 100 times leading to the results of table 1. Results show that the Particle Swarm
Optimization algorithm outperforms the traditional a posteriori Hankel
reduction. From a performance point of view, controllers that are computed
by the PSO algorithm have quite similar performances than the Hankel
reduction controller but are more robust especially against measurement
noises, due to a decrease in controller high frequency gains. For more details
on the method and the results, see [2].
Concluding remarks and related works
Some results on the use of Particle Swarm Optimization have been presented. The main advantage of the method is that it can take into account all
constraints of the problem, whatever its mathematical structure (non differentiable, non analytical…). This is particularly interesting in an industrial
context, as it avoids reformulating the constraints in a tractable way and
performing several synthesis/analysis phases in the design process. The
main drawback is that no guarantee can be given on the actual optimality
of the solution. However, in a synthesis procedure, the goal is mainly to find
a controller which satisfies the specifications, and so a satisfying near optimal solution is sufficient for that purpose.
The method is quite versatile and can be applied to many Automatic Control
problems: synthesis and optimization of PID controllers [3], optimization of
Hoo controllers [4], non linear predictive control [5].
References
[1] R. C. Eberhart, and J. Kennedy. “A new optimizer using particle
swarm theory”. In: Proc. of the 6th Int. Symposium on Micromachine
and Human Science, Nagoya, Japan. pp. 39-43, 1995.
[2] G. Sandou and G. Duc, “Using Particle Swarm Optimization for
Reduced Order Hoo Synthesis”, 14th IFAC workshop on Control
Applications of Optimisation, Finland, 2009.
[3] G. Sandou and B. Lassami, “Optimisation par essaim particulaire
pour la synthèse ou la retouche de correcteurs”, MOSIM, France,
2008.
[4] G. Sandou, G. Duc and D. Beauvois, “Optimisation par essaim particulaire du réglage d'un correcteur Hoo”, Conférence Internationale
Francophone d'Automatique, Romania, 2008.
[5] G. Sandou and S. Olaru, “Particle Swarm Optimization based
NMPC: An Application to District Heating Networks”, Lecture Notes
in Control and Information Sciences, Vol. 384, pp. 551-559, 2009.
Figure 2: Case study - Pendulum in the cart
Recherche Research
2009 / 2011
23
1.
AUTOMATIQUE
CONTROL
1.5
Approche système et procédés industriels
System approach and industrial processes
Les sujets présentés dans cette thématique, organisés par domaines d'application, relèvent de l'application des travaux méthodologiques développés
par l'équipe et essentiellement de la mise en œuvre des différents domaines
de l'automatique nécessaire pour aborder les problématiques issues du
monde industriel.
Ces sujets impliquent formalisation des problèmes industriels posés selon
une approche fonctionnelle, développement et validation de modèles analytiques permettant la simulation d'un système, détermination, identification
et validation de modèles simplifiés de commande, choix, sans a priori, synthèse et validation d'une loi de commande propre à remplir les objectifs fixés
dans le cahier des charges.
The topics presented in this thematic, organized owing to application
domains, are characterized by application of methodological works studied
by the team, and essentially the use of the various methods of Automatic
Control necessary to deal with problems from the industrial world.
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...........................................................................
Sujets
Topics
1. Domaine automobile
Pilotage en glissement d'un organe de friction pour le filtrage des acyclismes d'un groupe motopropulseur.
Estimation temps réel non-linéaire pour le contrôle de systèmes de suspensions pilotées.
Commande de véhicule à direction et freinage découplés.
Stratégie de commande d'un groupe motopropulseur hybride.
Gestion de l'énergie dans un véhicule électrique.
1. Automotive industry
Control of the slip of a friction process in order to filter the acyclisms of
a vehicle power-train.
Real Time nonlinear state estimation of a vehicle in order to control it
with active suspension.
Control of a vehicle with non interacting steering and braking systems
Strategy for the control law of an hybrid power-train.
Power management in an electrical vehicle.
2. Systèmes d'énergie
Modélisation générique et optimisation de lois de commande pour
convertisseurs de puissance.
Modélisation et optimisation robuste de réseaux d'énergie.
Manœuvre contrôlée de transformateurs HT avec flux rémanent.
Commande non-linéaire d'éolienne à vitesse variable équipée de génératrice double alimentation.
Commande non-linéaire et stabilisation de systèmes de transmission
VSC HVDC.
2. Power systems
Generic modeling and optimization of control laws for power converters.
Modeling and robust optimization of energy networks.
Controlled switching of HT transformers with residual flux.
Nonlinear control of variable speed wind turbine equipped with doubly
fed induction generators.
Nonlinear control and stabilization of VSC HVDC transmission lines.
3. Systèmes mécatroniques
Modélisation et commande de robots à architecture parallèle.
Conception d'un robot multiaxes pour le positionnement d'un appareil
de radiographie cardiovasculaire.
Modèle ARMARKOV et algorithmes adaptatifs de commande d'actionneurs antivibratoires.
4. Systèmes biotechnologiques
Proposition de stratégies de commande pour la culture de microalgues
dans un photo-bioréacteur continu.
Commande prédictive non-linéaire de culture de bactéries en mode fedbatch.
Estimation et commande robuste de la culture de microalgues pour la
valorisation biologique du CO2.
5. Domaine aéronautique et aérospatial
Guidage et pilotage robuste d'aéronefs autonomes en milieu turbulent.
Optimisation de trajectoires et analyse de mission pour voyages interplanétaires.
Patrick BOUCHER
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 13 71
24
These topics involve formalization of industrial problems, according to a
functional approach, development and validation of analytical models for
simulation, determination, identification and validation of simplified
control models, choice, without a priori, of a methodology to design and
validate a control law in order to meet desired specifications.
3. Mechatronics
Modeling and control of robots with parallel architecture.
Modeling and control of a multi-axis actuator in a cardiovascular radiography system.
ARMARKOV model and adaptive algorithms for active vibration rejection.
4. Biotechnological systems
Propositions for control strategies of microalgae culture in a continuous
photo-bioreactor.
Nonlinear predictive control of bacteria culture in a fed-batch mode bioreactor.
Estimation and robust control of microalgae culture for biologic valorization of CO2.
5. Human-Machine Interaction
Guidance and control of autonomous aircrafts in a turbulent medium.
Trajectory Optimization and mission analysis for interplanetary travel.
Emmanuel GODOY
Dominique BEAUVOIS
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 13 73
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 13 87
1.5 Approche système et procédés industriels
System approach and industrial processes
.....................................................................................................................................................................................................................................
Control of microalgae cultivation in a continuous photobioreactor
Commande de la culture de microalgues dans un photobioréacteur continu
Sihem Tebbani
Didier Dumur
Arsène Isambert
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Résumé
La production de microalgues s'avère fondamentale pour de nombreuses applications industrielles et environnementales.
De façon générale, afin d'obtenir un niveau élevé de production de microalgues, la stratégie de commande consiste à réguler
la concentration en biomasse à une valeur donnée au sein d'un photobioréacteur continu, de façon à maintenir la culture à
une densité de population optimale. Pour cela, la loi de commande proposée inclut au sein d'une structure cascade une boucle
interne basée sur une stratégie de linéarisation entrée-sortie, et une boucle externe avec un régulateur de type P.I.D. et un
dispositif d'anti-saturation afin d'annuler toute erreur statique. De plus, dès lors que la concentration en biomasse n'est pas
disponible en temps réel, un filtre de Kalman étendu permet d'estimer cette concentration, à partir de la mesure du carbone
inorganique total et des états physiques classiques (pH, intensité lumineuse, concentration en oxygène dissous…). Cette structure de commande validée en temps réel sur un photobioréacteur instrumenté montre l'efficacité et la robustesse de la structure par rapport à d'autres stratégies plus classiques.
Introduction
Microalgal biomass has many applications such as the production of high
value compounds. This biomass is an excellent source of long-chain polyunsaturated fatty acids (PUFAs), polysaccharides, vitamins and pigments.
Large-scale cultures also find applications in energy production (e.g. photobiological hydrogen, biofuel, methane) and environmental remediation (e.g.
wastewater treatment, carbon dioxide fixation and greenhouse gas emissions reduction). Microalgae can also absorb heavy metals and sequester or
degrade many different classes of toxic compounds. The microalgae culture
is classically carried out in open ponds mode leading to several problems.
Closed photobioreactor culture seems to be more efficient than the last one,
especially when applying real-time control laws for microalgal culture. A
general objective of process control is to guarantee that the process will operate in a constant biomass density mode, in order to maintain the culture at
the optimal population density and sustain high biomass production levels.
Proposed control strategy
The biomass control is carried out in three steps. First, mathematical modeling and model parameters identification are assessed by fitting the experimental data acquired along the exponential phase of batch cultivation [1].
Since biomass concentration is one of the most valuable variables to control,
but remains quite difficult to measure on-line, a software sensor for its estimation has to be elaborated. That is the reason why, in a second step, an
extended Kalman filter (E.K.F.) is developed, based on total inorganic carbon (TIC) and physical states (pH, temperature, dissolved oxygen, light
intensity) measurements [2]. Finally, the biomass concentration control is
realized by appropriately changing the culture medium flow-rate to the photobioreactor.
Several control strategies have been successively investigated (linearized
model based control, P.I.D., Generic Model Control, Nonlinear control,
Nonlinear Model Predictive Control). Among them, the following designed
control strategy consists of a linearizing state-feedback algorithm implemented in an inner loop [3]. A Proportional Integral Derivative (P.I.D.)
controller with an anti-windup compensator in the outer loop offers the possibility to correct the deviations due to system disturbances and slight
model/process mismatches.
Figure 2: Schematic representation of the photobioreactor
Figure 3: Experimental biomass step response.
Figure 4: Experimental evolution of biomass under disturbances
References
[1] D. Baquerisse, S. Nouals, A. Isambert, P. Ferreira dos Santos and
G. Durand, “Modelling of a continuous pilot photobioreactor for microalgae production”. Journal of Biotechnology, 70, 335-342, 1999.
Figure 1: Control system architecture
The proposed control strategy is validated on the culture of red microalgae
Porphyridium purpureum in an instrumented bubble column photobioreactor (figure 2), in collaboration with the “Laboratoire de Génie de Procédés et
Matériaux” of Ecole Centrale Paris. Experiments in case of setpoint changes
(figure 3) and significant disturbances acting on the system (figure 4) are
considered, showing good performances in terms of accuracy, overshoot and
robustness.
Recherche Research
[2] G. Becerra-Celis, S. Tebbani, C. Joannis-Cassan, A. Isambert,
P. Boucher, “Estimation of microalgal photobioreactor production based
on total inorganic carbon in the medium”. 17th IFAC World Congress,
Seoul, 2008.
[3] A. Isidori, “Nonlinear control systems”. Berlin, Springer-Verlag, 1989.
2009 / 2011
25
1.
AUTOMATIQUE
CONTROL
1.6
Estimation et modélisation
Estimation and modeling
Pour comprendre ou commander un système il est souvent très utile de le
modéliser puis d'identifier les paramètres inconnus éventuels du modèle
sur la base de mesures effectuées sur le système. Le modèle ainsi obtenu
sert, pendant l'exploitation du système, à prévoir ou surveiller son comportement, voire à modifier ce dernier, auquel cas il faut souvent faire
appel de nouveau à des techniques d'estimation. La complexité des
modèles utilisés n'est pas en rapport nécessairement avec celle de la physique du système mais plutôt avec le degré de précision souhaité. Quant
aux algorithmes d'estimation, parfois appelés capteurs logiciels, ce sont
bien des compagnons des capteurs physiques, qu'ils peuvent d'ailleurs
parfois remplacer de façon avantageuse du point de vue coût, encombrement, ou fiabilité.
To understand or control a system it is often extremely useful to model it,
and then to identify the unknown parameters of this model, if any, based
on measurements carried out on the system. The model thus obtained may
be used, during the operation of the system, to predict or monitor its behaviour, or to modify it. In the latter case, estimation techniques often need to
be invoked again. The model complexity is not necessarily comparable to
that of the knowledge-based description of the system; it is rather related to
the degree of accuracy that is required. Estimation algorithms, sometimes
called software sensors, are companions of physical sensors. They may even
be used in lieu of some sensors for their lower price, smaller size, and durability.
...........................................................................
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Sujets
Topics
1. Modélisation de systèmes biologiques
Le domaine de la biologie est extrêmement actif, et présente de réels
besoins d'organisation et de représentation des connaissances. Nous
avons développé une activité de modélisation à base de connaissance,
simplification de modèles et estimation sur données en épidémiologie et
microbiologie, en collaboration avec l'INRA.
1. Modeling of biological systems
Biology is a very active area, with acute needs in knowledge structuration and modeling. Our activity has been focused on knowledge-based
modeling, model simplification and estimation from experimental data
in the field of epidemics and microbiology in collaboration with partners
from INRA (National Institute for Agronomic Research).
2. Modélisation boîte noire (ou grise) à l'aide du krigeage
Le krigeage est une méthodologie issue des géostatistiques, où elle s'est
développée dans le contexte de l'exploration minière. Cette méthodologie est maintenant utilisée de plus en plus pour des applications en
ingénierie. Elle permet de construire des modèles de prédiction simples
soit à partir de données uniquement, soit en intégrant des connaissances a priori pour transformer le modèle boîte noire en un modèle
boîte grise. Cette activité est conduite en collaboration avec le
Département Signaux et Systèmes Electroniques.
2. Black (ou grey) box modeling via Kriging
Kriging, a methodologogy initially developed by geostatiticians in the
context of mining, is increasingly used in engineering applications. It
makes it possible to build simple prediction models either uniquely from
data (or simulations of complex knowledge-based models) or while
incorporating some degree of prior knowledge, which transforms the
black-box model into a grey box model. This activity is carried out in
connection with the Signal and Electronic Systems Department.
3. Estimation par analyse par intervalle
L'analyse par intervalles permet d'effectuer d'une façon globale et
garantie les tâches de base en estimation non linéaire de paramètres ou
de variables d'état que sont la minimisation d'une fonction coût ou la
caractérisation de l'ensemble des vecteurs de paramètres ou d'état qui
sont compatibles avec des erreurs acceptables. Les résultats peuvent
être rendus remarquablement robustes à des données aberrantes.
4. Techniques algébriques différentielles et numériques pour
l'estimation
Nombre de questions rencontrées dans le domaine de l'estimation de
systèmes dynamiques sont de nature structurelle et algébrique différentielle. Il en est ainsi des questions d'identifiabilité, d'observabilité,
etc. Les algorithmes d'estimation eux relèvent plutôt de l'analyse numérique et font appel aux notions d'approximation de solutions de problèmes souvent mal conditionnés voire mal posés.
3. Estimation via interval analysis
Interval analysis makes it possible to achieve, in a global and guaranteed way, basic tasks in nonlinear parameter or state estimation such as
minimizing a cost function or characterizing the set of all parameter or
state vectors that are consistent with acceptable errors. The results can
be made remarkably robust to outliers.
4. Differential algebraic and numerical techniques for estimation
Many questions which are encountered in system estimation bear some
structural and differential algebraic nature. That is the case of identifiability, observability, etc. Estimation algorithms rather stem from
numerical analysis, and they appeal on notions of approximation of
solutions of problems which are often ill-conditionned, or even ill-posed.
Sette DIOP
Béatrice LAROCHE
Éric WALTER
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 17 30
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 17 22
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 17 11
26
1.6 Estimation et modélisation
Estimation and modeling
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Une nouvelle structure d'observateur
A new observer structure
Sette Diop
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Abstract An observer structure has been proposed with features such as ``nonpeaking'', ``bounded'' and with quasi explicit algorithms
for its design. These new potentialities are attribuable to both the structure of the data feedback and the introduction of regularized numerical differentiation schemes of sampled data.
La question de l'estimation en temps réel d'une variable x(t) d'un système
dynamique
est essentielle en automatique. En effet, les
bonnes réponses à cette question rendent possibles l'implantation de commandes
par retour d'état, le diagnostic et la surveillance d'un
système en exploitation, et parfois, un gain économique substantiel en remplaçant un capteur trop encombrant, trop cher, ou peu fiable par un simple
algorithme programmé dans un processeur de calcul. D'ailleurs, n'est-ce pas
le filtre de Kalman qui, par son succès dans l'aérospatial depuis les années
1960, a permis l'émergence de notre discipline, l'automatique. La preuve
que le filtre de Kalman est une solution au problème de l'estimation suppose que le modèle
est linéaire
.
L'immense succès résulte de ce que cet estimateur temps réel a d'excellentes propriétés de convergence tout en tolérant quelques inévitables
imprécisions à la fois du modèle lui-même et des mesures
délivrées par les capteurs. Appliqué aux modèles
non linéaires la validité du filtre de Kalman devient locale en ce que la
convergence de l'estimateur
n'est garantie que si ce dernier a été initialisé suffisamment près de
. De combien
doit être près de
? Il est souvent difficile d'en donner une bonne estimation. De plus, le
filtre de Kalman étendu n'a pas cette propriété essentielle d'un estimateur,
à savoir la bornitude vis-à-vis des incertitudes de mesure. Une faiblesse
notoire du filtre c'est la difficulté à vérifier a priori les hypothèses qui autorisent son utilisation. Enfin rappelons que la complexité en charge de calcul
du filtre de Kalman peut également le rendre inutilisable dans certaines
applications.
C'est ainsi que la recherche sur l'estimation temps réel non linéaire a continué d'occuper de très nombreux collègues dans le monde. Une nouvelle
approche est explorée depuis le début des années 1990. Elle repose sur une
analyse algébrique différentielle du problème d'estimation qui nous a
conduit à une notion d'identifiabilité ou d'observabilité qui est explicit (et
dont on peut confier la vérification à des systèmes de calcul symboliques)
ainsi qu'à une nouvelle structure d'observateur dans laquelle la complexité
du calcul du gain du filtre de Kalman étendu disparaît, mais apparaît la
nécessité d'utiliser la différentiation numérique régularisée. De ce fait le
caractère de problème inverse mal posé de la question de l'estimation fait
surface à travers la différentiation numérique qui en est l'exemple type bien
connu en analyse numérique. Le caractère de problème inverse de l'estimation est intuitivement clair puisqu'il s'agit d'extraire une information
connue à travers un modèle qui se présente sous la forme d'une cause produisant un effet et où l'effet, y(t) est connu ainsi qu'une partie de la cause,
u(t) l'autre partie de la cause x(t), étant précisément l'inconnu à déterminer. Est-ce que ce problème inverse est mal posé au sens d'Hadamard ?
Formellement cela reste à être prouvé. Le génie du filtre de Kalman linéaire est sans doute d'en avoir trouvé une solution dynamique qui ne consiste
pas en une inversion algébrique du problème mais en la construction d'un
système dynamique qui se contente de produire une sortie qui converge
asymptotiquement vers x(t) . La structure proposée, elle, inverse différentiellement algébriquement le problème. C'est là toute sa faiblesse, mais
aussi sa force car elle a le mérite de produire une solution explicite contrairement au filtre de Kalman étendu.
La nouvelle structure d'observateur
Le schéma fonctionnel suivant montre les deux composantes de l'observateur ainsi que leur interaction.
Recherche Research
Les données disponibles à l'utilisateur en temps réel, u(t), y(t), sont traitées
d'abord dans un bloc notée NDO pour numerical differentiation observer ; ce
bloc fournit une estimation retardée,
de l'état. Le retard
est en général connu de l'utilisateur ; il est directement
lié à la longueur de la fenêtre de données utilisée pour estimer les dérivées,
et son choix résulte d'un compromis entre la précision de l'estimation des
dérivées et la nécessité de filtrer le bruit sur ces données. Le symbole
représente l'erreur d'estimation de
. Des exemples de différentiateurs numériques sont montrés dans les références ci-dessous. Le
retard est alors compensé à l'aide du modèle du système dans le bloc noté
Prediction dans le schéma précédent. La prédiction est décrite par les équations suivantes.
Le symbole K représente un gain. A l'inverse du filtre de Kalman où il serait
calculé à travers la résolution en ligne d'une équation de Riccati, K est une
matrice constante très facile à calculer. Le contenu du bloc NDO n'est pas
explicité ici. Outre la différentiation numérique, il contient l'expression de
l'état du système en fonction des données. Cette expression est donnée de
façon explicite par l'approche algébrique de l'observabilité. La convergence
de cet observateur est exponentielle sous des hypothèses mineures.
Pour plus de détails sur cette approche des observateurs non linéaires le lecteur pourra consulter les quelques publications ci-dessous ainsi que les références qu'elles contiennent.
Références
[1] S. Diop, “Observers for sampled data nonlinear systems via numerical
differentiation”, Proceedings of the European Control Conference, Kos,
Greece, 2007.
[2] S. Diop, V. Fromion, J. W. Grizzle, “A global exponential observer based
on numerical differentiation,” Proceedings of the IEEE Conference on
Decision and Control, 2001.
[3] S. Diop, J. W. Grizzle, P. E. Moraal, A. G. Stefanopoulou, “Interpolation
and numerical differentiation for observer design,” Proceedings of the
American Control Conference, 1994.
2009 / 2011
27
28
2. SIGNAUX ET STATISTIQUES
2
29
2.
2.1
Modélisation statistique du signal
Statistical signal modelling
Les principaux axes de recherche de l'équipe « modélisation statistique du
signal » sont l'étude de processus ponctuels, la séparation de sources, les
signaux multi-capteurs et les séries chronologiques.
The main interests of the “Statistical signal modelling” group are the study
of random point processes, sources separation, multi-sensors systems and
time series analysis.
...........................................................................
...........................................................................
Sujets
Topics
1. Processus ponctuels et optique statistique
La plupart des travaux consacrés à l'étude des processus ponctuels sont
essentiellement théoriques. Aussi lorsque la théorie est difficile à élaborer, une simulation sur ordinateur semble être une approche satisfaisante du processus ponctuel. Ainsi, nous nous intéressons à la simulation d'intervalles entre les points successifs d'un processus ponctuel
particulier défini comme une suite de variables aléatoires positives.
Celles-ci sont générées soit à partir de processus auto-régressifs, soit à
partir de processus physiques mettant en évidence des propriétés non
classiques des champs optiques.
1. Point processes and statistical optics
Most of the work dedicated to point processes are mainly theoretical.
When it is hard to elaborate the theory, a computer simulation is sometime satisfactory for the point process. We are interested in the simulation of intervals between successive points of a particular point process
defined as a sequence of positive random variables which are generated
from particular autoregressive models or from physical processes yielding non classical properties of light fields.
2. Séparation de sources
Les méthodes de séparation aveugle de sources ne permettent pas de
traiter le cas sous-déterminé (nombre de sources supérieur au nombre
de capteurs) et sont peu utilisables dans le cas d'un rapport signal à
bruit faible. La propriété de parcimonie des signaux, largement utilisée
dans les années 90 en compression, commence à être utilisée en séparation de sources et elle a conduit à un algorithme connu sous la dénomination Analyse en Composantes Parcimonieuses. Cet algorithme
semble être en mesure de lever les limitations mentionnées ci-dessus et
nous étudions son application au cas d'un mélange de signaux à phase
polynomiale.
3. Signaux multi-capteurs
Le concept de systèmes multi-capteurs tend à se développer afin d'utiliser judicieusement les degrés de liberté supplémentaires apportés par
des informations multiples dans le but de réduire l'incertitude sur l'information résultante. Déjà utilisés dans les domaines de la téléphonie
mobile, de l'internet (réseaux WiFi) et de la localisation (GPS), les systèmes multi-capteurs s'ouvrent à d'autres domaines tels que l'imagerie
médicale, l'aéronautique et le nucléaire. Notre activité de recherche se
concentre sur l'amélioration de l'estimation de paramètres d'intérêts (la
position d'un objet par exemple) en étudiant la géométrie des tels
réseaux ainsi qu'en optimisant les formes d'ondes émises.
4. Séries chronologiques
Nos travaux portent principalement sur l'estimation et la prédiction de
processus à longue mémoire avec données manquantes, l'étude de processus à mémoire intermédiaire, le développement de méthodes de filtrage particulaire pour des systèmes dynamiques non linéaires, l'estimation
robuste de modèles de consommation d'électricité pour la prévision à
court terme, et l'analyse et la prédiction du trafic dans des réseaux au
moyen de processus localement stationnaires à longue dépendance.
Pascal BONDON
L2S - Division Signaux
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 17 31
30
2. Sources separation
The Blind Source Separation methods don't solve properly the underdetermined case (more sources than sensors) and are of little use in poor
signal-to-noise ratio. The property of signals's sparsity, widely studied in
the 90’s in signals compression, begin to be used in sources separation
and gives an algorithm known as Sparse Component Analysis. This
algorithm seems to be able to solve the abovementioned limitations and
we study its applications to the case of a mixture of polynomial phase
signals.
3. Multi-sensors systems
The concept of multi-sensors systems has quickly grows during past
decades. The multiplicity of the information given by such systems is useful to reduce the uncertainties on the resulting information. Already
used in the field of digital communication and source localization, these
systems are now present in other domains such as medical imaging and
nuclear system. Our research activities are focused on the increase of
performance in terms of parameter estimation of these systems. Our analysis combines both the study of the network geometry and the design of
optimal emitted waveforms.
4. Time series analysis
Our interests are the estimation and the prediction of a long memory
process with missing data, the study of processes with intermediate
memory, the development of particular filtering methods for dynamical
nonlinear systems, the robust estimation of statistical models for the
French daily electricity consumption for the short-term forecasting,
and the analysis and the prediction of traffic data using piecewise
stationary long-memory processes.
2.1 Modélisation statistique du signal
Statistical signal modelling
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Bornes de Cramér-Rao pour la localisation de sources en champ proche
Cramér-Rao bounds for near-field localization parameters
Mohammed El Korso
Rémy Boyer
Alexandre Renaux
Sylvie Marcos
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Abstract Near-field source localization problem by a passive antenna array makes the assumption that the time-varying sources are
located near the antenna. In this situation, one has to consider a more complicated observation model parameterized by the
bearing (as in the far-field case) and by the distance, named range, between the source and a reference sensor. We can find a
plethora of estimation schemes in the literature but the ultimate performance has not been fully investigated. Here, we derive
and analyze the Cramér-Rao Bound (CRB) for a single time-varying source. In this case, one obtains nonmatrix closed-form
expressions. This approach has two advantages: (i) the computational cost for a large number of snapshots of a matrix-based
CRB can be high while the proposed approach is cheap and (ii) some useful information can be deduced from the behavior of
the bound.
Introduction
Lors d'une localisation de sources à l'aide d'un réseau de capteurs passifs,
on fait généralement l'hypothèse simplificatrice de sources situées loin de
l'antenne. Cependant, dans le cas de sources proches de l'antenne, les fronts
d'ondes ne sont plus plans et il faut prendre en compte un modèle d'observation paramétré, non seulement par l'azimut et l'élévation de chaque source, mais aussi par la distance entre les sources et un référentiel vis-à-vis de
l'antenne. Bien qu'une pléthore de méthodes d'estimation concernant ces
paramètres soit disponible dans la littérature, les performances ultimes de
tels estimateurs n'ont pas tout à fait été traitées en détail. Dans cet article,
nous calculons et analysons les bornes de Cramér-Rao déterministes dans
le cas d'une source située en champs proche. Dans cette situation, le nombre
de paramètres d'intérêt augmente avec le nombre d'observations. Cela
signifie que l'inversion numérique de la matrice d'information de Fisher est
difficile. C'est pourquoi, nous proposons des expressions analytiques nonmatricielles de la borne de Cramér-Rao.
Modèle d'observation
Considérons une antenne linéaire uniforme composée de N capteurs avec
une distance inter-capteurs notée d. L'antenne reçoit un signal
émis
par une source, supposée à bande étroite, située dans le champ proche
(région de Fresnel) de l'antenne. Par conséquent, le modèle d'observation
au niveau de l'antenne s'écrit comme :
avec
et
où T est le nombre d'oservations et N le nombre de
capteurs. Le retard inter-capteur
peut être approximé par [1]
, où
est la longueur d'onde et r et
représentent, respectivement, la distance et l'azimut de la source. On
admet que le bruit
est un processus complexe circulaire blanc
gaussien de moyenne nulle et de variance inconnue
.
avec
et
Analyse
- Pour un grand nombre de capteurs et une distance inter-capteurs fixée,
exprimée dans le champ proche tend vers la borne de Cramér-Rao
en champ lointain [3]. Ceci correspond bien à l'intuition générale,
c'est-à-dire que, la région de Fresnel dépend du nombre de capteurs et un
grand nombre de capteurs implique une grande distance pour la source,
ce qui correspond au champ lointain.
- Les bornes de Cramér-Rao sont invariantes par rapport à la phase du
signal source. De plus, comme dans le cas du champ lointain,
ne dépend que de l'azimut en selon
. De ce fait, l'antenne
linéaire uniforme en champ proche n'est pas une antenne isotrope.
dépend à la fois de l'azimut et de la distance. Pour r et
,
la dépendance par rapport à la distance est de
. Ce qui signifie que
les performances d'estimation s'améliorent quand la source se rapproche
de l'antenne (dans la limite de la région de Fresnel).
- La dépendance de
par rapport à l'azimut est en
.
Si
est proche de
,
tend vers l'infini et cette divergence est
plus rapide que celle de
.
- Pour un nombre suffisant de capteurs,
et
sont en
.
- Pour
,
est indépendante de la fréquence porteuse.
Cependant, ce n'est pas le cas de
qui décroit lorsque la fréquence
augmente.
Bornes de Cramér-Rao
Les paramètres d'intérêts sont la distance, l'azimut, l'amplitude et la
phase du signal à chaque instant (la fréquence porteuse est supposée
connue) ainsi que la puissance du bruit. La matrice d'information de
Fisher est donc de taille (2T+3)x(2T+3). Puisqu'il s'agit ici d'un modèle
d'observation gaussien à moyenne et covariance paramétrées, cette matrice est obtenue classiquement à l'aide de la formule de Slepian-Bang complexe circulaire [2]. Néanmoins, c'est l'inversion de cette matrice qui nous
intéresse et cette opération devient très coûteuse lorsque T devient grand.
C'est l'une des raisons pour laquelle nous proposons l'inversion analytique. En utilisant une partition appropriée de la matrice d'information de
Fisher et après le calcul explicite de l'inverse du complément de Schur,
nous obtenons les expressions non-matricielles de la borne de Cramér-Rao
relative à la distance et à l'azimut :
Références
[1] Y. D. Huang and M. Barkat, "Near-field multiple source localization by passive sensor array", IEEE Transactions on Antennas
Propagation, vol. 39, no. 7, pp. 968-975, Jul. 1991.
[2] S.F. Yau, Y. Bresler, "A compact Cramér-Rao bound expression for
parametric estimation of superimposed signals," IEEE Transactions
on Signal Processing, vol. 40, no. 5, pp. 1226-1230, May 1992.
[3] P. Stoica and A. Nehorai, "MUSIC, maximum likelihood, and
Cramér-Rao bound", IEEE Transactions on Signal Processing, vol.
37, no. 5, pp.720-741, May. 1989.
Recherche Research
2009 / 2011
31
2.
2.2
Traitement statistique de l'information
Statistical information processing
La valorisation des données, qu'elles soient issues de connaissances a priori, de mesures, ou bien de résultats de simulation est un souci récurrent
tant dans le monde industriel qu'académique. Le contexte général de
l'augmentation de la qualité des produits, de la réduction des coûts de
fabrication, du respect des normes environnementales, ne fait que renforcer cette préoccupation. Il s'agit d'extraire l'information contenue dans ces
données afin de concevoir des systèmes permettant par exemple d'estimer
une grandeur, d'attribuer une classe, de prendre une décision. Le traitement statistique de l'information intervient à toutes les étapes de cette
conception, dès la phase de recueil d'information et jusqu'à l'évaluation
des performances des systèmes conçus.
L'alliance de modélisations dédiées à un objectif spécifique, de méthodes
d'estimation, de prise en compte de caractère abondant ou lacunaire des
données, de leur éventuelle hétérogénéité, de critères traduisant la robustesse, permet de construire des systèmes performants. Inscrire cette
construction dans un cadre probabiliste permet de traiter le caractère
incertain à la fois des données et des modèles. La mise en œuvre de cette
approche dans différents domaines (thermophysique, biologie, génie électrique, finance) a permis de valider son caractère générique.
Exploiting data, whatever is its source (prior, expertises, measurement,
simulated result) is a very basic requirement in industry as well as
research. Owing to increased production quality levels, lower manufacturing costs and tighter environmental controls, today this requirement is all
the more important. The issue is the extraction of information from these
data in order to develop systems able to estimate an unknown quantity,
choose a class or take a decision. Statistical processing is present in all
steps, from the collection of the data to the evaluation of the performance of
the designed systems.
The joint use of modelling approaches dedicated to a specific measurement,
of estimation methods, both designed by considering robustness requirement and with a particular care when the data set is small or/and
includes heterogeneous variables is a key-point to design efficient systems.
This approach has been widely used in a number of applications and proved generic (thermophysics, biology, electrical engineering, finance).
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Sujets
Topics
1. Propagation d'incertitudes
Modélisation des incertitudes dans un cadre non-linéaire et dynamique.
Modélisation par équations différentielles stochastiques.
Généralisation de l'équation de Fokker-Planck aux processus stochastiques hybrides.
1. Statistical characterization
Statistical characterization for a non-linear dynamic indirect measurement.
Models based on stochastic differential equations.
Generalized Fokker-Planck equation for stochastic hybrid processes.
2. Inférence à partir d'un faible nombre de données
Choix de l'ordre d'un modèle par la divergence symétrique de Kullback.
Optimisation globale de fonctions coûteuses à évaluer (approche bayésienne).
Intégration de données biologiques hétérogènes (exemple : réseau,
transcriptome).
Construction de réseaux d'interaction génétique à partir de données
issues de puces à ADN.
2. Inference from small datasets
Model order selection criterion for incomplete data based on Kullback's
symmetric divergence.
Global optimization of expensive-to-evaluate functions (Bayesian
approach).
Integration of heterogeneous biological data (e.g. gene network, transcriptomic data).
Inference of gene interaction networks from microarray data.
3. Modélisation de systèmes complexes
Modélisation comportementale par des méthodes à noyaux (krigeage,
SVR, processus gaussiens, etc.).
Planification d'expériences tenant compte de l'erreur de modélisation.
3. Modeling complex systems
Kernel-based black-box modeling (kriging, SVR, Gaussian processes,
etc.).
Design of experiments for misspecified models.
4. Statistiques extrêmes
Modélisation des comportements extrêmes d'un système pour une
conception robuste.
Estimation de la probabilité de défaillance d'un système.
4. Modeling of extreme values in systems
Extreme value modeling for robust system design.
Estimation of the probability of a failure for an uncertain system.
Gilles FLEURY
Laurent LE BRUSQUET
Emmanuel VAZQUEZ
Département Signaux et Systèmes Électroniques
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 13 91
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 14 23
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 14 16
32
2.2 Traitement statistique de l’information
Statistical information processing
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Optimization of expensive-to-evaluate functions
Optimisation de fonctions coûteuses
Emmanuel Vazquez,
Julien Villemonteix,
Eric Walter.
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Résumé
Comment optimiser une fonction dont l'évaluation est très coûteuse en ressources informatiques ? Cette question apparaît
de manière récurrente dans le domaine de la conception de système reposant sur la simulation de phénomènes physiques.
Par exemple, la simulation du comportement d'un véhicule en cas de choc peut nécessiter jusqu'à 24h sur des systèmes de
calcul avancés. Dans ce type de problème, il est essentiel d'utiliser des algorithmes qui permettent d'approcher les
performances optimales en utilisant un nombre très réduit de simulations. Les algorithmes d'optimisation les plus efficaces
aujourd'hui sont des algorithmes itératifs qui construisent à chaque itération une approximation de la fonction à optimiser,
souvent appelée métamodèle, à partir des évaluations de la fonction à optimiser réalisées précédemment. Ces approximations
sont utilisées pour choisir les points de l'espace de recherche où seront effectuées les évaluations suivantes. Nous proposons un
nouvel algorithme, appelé IAGO, qui fait appel à l'entropie de Shannon comme critère d'information pour effectuer ce choix
de nouveaux points.
Optimization of expensive-to-evaluate functions
How to optimize a function when the budget for its evaluation is severely
limited by either time or cost? For example, when optimization relies on
computer simulations, each taking several hours, the dimension and complexity of the optimization problem may seem incompatible with the evaluation budget (for instance, thirty parameters to be optimized with less
than one hundred evaluations). Such a problem is frequently encountered
in the industrial world. For example, in the automotive industry, optimal
combustion-related parameters are obtained using time-consuming computer simulations. A single simulation of the airflow in an intake port (see
Figure 1) may take up several hours on high-end servers. It then becomes
essential to favor optimization methods that use the dramatically scarce
information as efficiently as possible.
This work is devoted to optimization algorithms to be used in this context,
which is out of range for most classical methods. The common principle of
the methods studied is to build a cheap approximation of the function to be
optimized. This approximation is then used iteratively to choose the evaluation points. This choice is guided by a sampling criterion which combines
local search, near promising evaluation results, and global search, in unexplored areas. Most of the criteria proposed over the years, such as the one
underlying the classical Efficient Global Optimization (EGO) algorithm [1],
sample where the optimum is most likely to appear. By contrast, we propose a new algorithm that samples where the information gain on the optimizer location is deemed to be the highest.
Figure 1 : Airflow simulation in a simplified intake port of a car engine (courtesy of Renault S.A.). The intake port brings the mixture of air and fuel into
the combustion chamber. This Navier-Stokes problem is solved iteratively by a
finite-element method. Left: 3D representation of an intake port. Right: value
of the swirl, which quantifies the level of turbulence in the combustion chamber, as a function of the number of iterations of the solving procedure. The
swirl has to be optimized in order to maximize the performance of the engine
while keeping the emissions of pollutants sufficiently low
Informational Approach to Global Optimization
Our objective is to find an approximation of a global maximizer x* of a realvalued function f defined on X , a compact subset of Rd , using a very limited
number of evaluations of f . To make up for the lack of knowledge on the function, surrogate (also called meta or approximate) models are used to obtain
cheap approximations [2]. They turn out to be convenient tools for visualizing the function behavior or suggesting the location of an additional point
at which f should be evaluated in the search for x* . Yet, given existing evaluation results, the most likely location of a global maximizer is not necessarily a good evaluation point to improve our knowledge on x*.
By using Gaussian process models and Kriging, it is possible explicitly to
estimate the probability distribution of the optimum location given past
evaluations (see Figure 2). This probability distribution represents what
has been learned (through evaluations) and assumed (through the
Gaussian model) about x*. The progress made in finding a solution to the
global optimization problem can be assessed by looking at how the probability distribution of x* is spread over X . In particular, the support of the
distribution narrows as progress is being made towards reducing the
uncertainty left on x*. The main idea is then to adopt an information-based
search strategy, by sampling f where the largest uncertainty reduction is
expected. To quantify uncertainty, we use the conditional Shannon entropy of the global maximizer. This criterion is then inserted in an algorithm
similar to the EGO algorithm. We call the resulting algorithm IAGO, for
Informational Approach to Global Optimization [3, 4].
Recherche Research
Figure 2 : Six iterations of IAGO on a 1D function. Top: prediction by
Kriging of the unknown function (solid line) based on six evaluation
results (squares) and confidence intervals for this prediction (dashed line).
Bottom: conditional distribution of the global maximizer after six iterations of IAGO.
References
[1] Jones D.R., Schonlau M., and William J., Efficient global optimization of expensive black-box functions. J. Global Optim., 13:455_492,
1998.
[2] Jones D.R., A taxonomy of global optimization methods based on
response surfaces. J. Global Optim., 21:345-383, 2001.
[3] Villemonteix J., Vazquez E., Walter E., An informational approach
to the global optimization of expensive-to-evaluate functions.
J. Global Optim., doi:10.1007/s10898-008-9354-2, published online:
26 September 2008.
[4] Villemonteix J., Vazquez E., M. Sidorkiewicz, Walter E. Global
optimization of expensive-to-evaluate functions: an empirical comparison of two sampling criteria. J. Global Optim. 43(2-3):373-389, 2009.
2009 / 2011
33
2.
2.3
Traitement multimodal de l'information
Multimodal Information Processing
Dans de nombreux domaines de l'ingénieur, les phénomènes faisant l'objet d'une analyse ou d'un traitement se manifestent par le biais de différents supports d'information. Ces différents supports sont parfois porteurs
d'informations complémentaires et indépendantes auquel cas, la prise en
compte simultanée des différentes observations est nécessaire à la compréhension totale du processus générateur. Dans d'autres cas les différents supports portent des informations redondantes à des degrés divers
et leur étude globale permet, outre une compréhension complète, d'assurer une plus grande robustesse de l'analyse. L'extraction de paramètres
provenant de flux dissociés d'informations complémentaires et/ou redondantes de natures hétérogènes peut-être vue comme l'utilisation de plusieurs modalités dans un processus d'analyse, ce qui justifie l'appellation
d'analyse multimodale ou de traitement multimodal de l'information. Tout
l'art de l'ingénieur consiste alors à extraire les informations pertinentes
de ces données hétérogènes pour créer des modèles capables de reproduire (simulation), classifier (détection, reconnaissance de formes) ou contrôler (automatique, robotique, interfaces homme-machine) le comportement
des systèmes qui ont généré les informations ou même d'en améliorer la
qualité (filtrage, restauration) ou de les compresser.
In many engineering domains, phenomena to be analysed or processed are
observed through different information supports. These supports sometimes
carry complementary and independent information. In this case, taking
into account simultaneously the different observations is necessary for a
complete understanding of the generative process. In other cases, the different supports carry redundant information at diverse levels and studying
them as a whole allows, besides a complete understanding, a greater
robustness of the analysis. Extracting parameters from complementary
and/or redundant information flows of heterogeneous natures can be
regarded as using different modalities in the analysis process which
justifies the naming of multimodal analysis or multimodal information
processing.
With regard to this description, the problem we are dealing with is to
extract meaningful information from these heterogeneous data and to build
models able to reproduce (simulation), classify (detection, pattern recognition) or control (automation, robotics, human-computer interfaces) the
behaviour of the systems that generated the observed information or even
to enhance their quality (filtering, restoring) or to compress them.
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...........................................................................
Sujets
Topics
1. Identification biométrique
Détection et reconnaissance de visages.
Reconnaissance de locuteur sur base de signaux acoustiques.
Identification et vérification de locuteurs par fusion de données
audio-visuelles.
1. Biometric Identification
Face detection and recognition.
Speaker recognition based on acoustic signal.
Speaker identification and verification using audiovisual data fusion.
2. Interfaces Homme-Machine
Reconnaissance vocale sur base de propriétés articulatoires.
Modélisation probabiliste de l'interaction homme-machine.
Optimisation de stratégies d'interaction par apprentissage
non-supervisé.
Reconnaissance d’émotions et animation d’avatar.
3. Environnement intelligents et vidéosurveillance
Localisation de sources sonores.
Détection de fond.
Suivi et reconnaissance d'objets.
2. Human-Computer Interaction
Automatic Speech Recognition based on articulatory features.
Probabilistic description of human-computer interaction.
Interaction optimization by means of unsupervised learning.
Emotion recognition and avatar animation.
3. Smart Environments and videosurveillance
Audio source localization.
Background/foreground segmentation.
Tracking and recognition of objects.
Olivier PIETQUIN
Hervé FREZZA-BUET
Renaud SEGUIER
Équipe IMS
Campus de Metz
Tél. : 33 (0) 3 87 76 47 70
Équipe IMS
Campus de Metz
Tél. : 33 (0) 3 87 76 47 35
Équipe SCEE - IETR
Campus de Rennes
Tél. : 33 (0) 2 99 84 45 35
34
2.3 Traitement multimodal de l'information
Multimodal information processing
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Adapted Active Appearance Models for robust face analysis
Modèles Actifs d'Apparence adaptés pour l'analyse robuste de visage
Renaud Séguier
Sylvain Le Gallou
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Résumé
Les Modèles Actifs d'Apparence (AAM) sont très efficaces lorsqu'il s'agit d'aligner des visages connus dans des poses et
illuminations contraintes. Malheureusement, ils sont beaucoup moins performants lorsque l'identité, la pose et l'illumination
des visages ne sont pas connues. Nous proposons dans ce papier des Modèles Actifs d'Apparence robustes permettant une
implémentation temps réel. Pour améliorer la robustesse des AAM aux changements d'illumination, nous proposons de
modifier les textures prises en compte dans les AAM par des cartes orientés. Les Modèles Actifs d'Apparence Adaptés seront
ensuite présentés pour améliorer la robustesse des AAM aux autres types de variabilité (en identité, pose, expression etc...).
Scientific Context
Our team has worked for ten years on face analysis and synthesis. Our
skills are focused on the Active Appearance Models (AAM) which gives us
the ability to localise in real time a hundred points to characterize the eyes,
nose, mouth and outline of the face. Some work was done on the robustness
of the AAM [1] to face unspecified illuminations, poses and face expressions.
We have proposed new fast optimisation algorithms [2] and 2.5D AAM
which gives us the possibility to identify the face pose starting from several
different cameras [3]. We approached the field of the 3D synthesis for face
compression in video-communication and actually we are interested in realistic animation of synthetic faces expressions [4]. Our actual work concerns
emotional analysis and avatar cloning. This research direction is impossible
to circumvent taking into account the evolution of the research topics in
Interface Man Machine and of the pressure of the industrial market. A technological bottleneck difficult to rise in IHM relates to the robust analysis of
the faces under unknown conditions of illumination, poses and expression of
the analyzed faces. It is the object of this article.
Bottleneck
Active Appearance Models (AAM) are able to efficiently align known faces
under duress, when face pose and illumination are controlled. We propose
Adapted Active Appearance Models to align unknown faces in unknown
poses and illuminations. Our proposal is based on the one hand on a specific transformation of the active model texture in an oriented map, which
changes the AAM normalization process; and on the other hand on the
research made in a set of different pre-computed models related to the
most adapted AAM for an unknown face.
Active Appearance Models and Oriented Map
In order to increase the AAM's robustness to illumination variation, we
propose a new representation of the texture used in the model. The input
image is first enhanced by a Contrast Limited Adaptive Histogram
Equalization (CLAHE) and then transformed in an oriented map which,
in our case, gives the edge orientation in a range of value 0 and . This
transformation leads to a specific evaluation of the shape angle related to
the AAM pose parameters during the convergence process.
We have tested this proposition in a generalization context: the faces used
to construct the model (public database M2VTS) and the ones used for the
tests are different. The results show that OM-AAM outperform the previous approaches which are based on normalized grey level when applied
to the CMU-PIE and BioId public data sets. Respectively, the faces are better aligned in 15% and 27% if we take into account the percentage of correct alignment on the whole database. A face is considered as corrected aligned if the localisation error of the gravity centre of the eyes, nose and
mouth is less than 15% of the real distance between the eyes.
Figure 1: Face examples in BioId and CMU-PIE databases
Adapted Active Appearance Models
In order to align unknown faces moving in different poses and expressions, we suggest a system witch adapt the model to the analysed face.
This adaptation is made by choosing, in a set of pre-computed models, the
best suited model to the unknown face.
If a video stream related to one person needs to be analyzed, we use the
first second of the stream in order to perform a more robust selection of
the adapted model. On the first images, we align the face with a generic
initial model made up from different faces in frontal view and neutral
expressions from a general database. We evaluate the pixel error on each
image and compare it to a threshold, in order to decide if the model has
converged. We then evaluate, from the correctly aligned faces, the k-nearest identities which must be taken into account in the general database,
in order to construct the adapted model. This model is then used on the
following images in the video stream to align the faces. Adapted Active
Appearance Models were tested in a generalization context on 560 images
of 28 faces with 4 expressions in 5 different poses. At equal complexity,
they outperform classical AAM in 55% of the cases (94% of the faces are
correctly aligned) and can be implemented in real time.
Technology Transfer
This work is protected by one patent with Orange Labs and was rewarded
by a price in 2008 from the Métivier Foundation. The startup DynamiXyz
(http://www.dynamixyz.com/), integrated in the Brittany incubator Emergys
in 2009, is currently working at optimizing some parts of this work.
References
[1] R. Séguier, S. Le Gallou, G. Breton et C. Garcia, "Modèles actifs
d'apparence adaptés", Traitement du Signal, volume 25, numéro 5,
février 2009.
[2] A. Sattar, Y. Aïdarous and R. Séguier, "GAGM-AAM: A Genetic
Optimization with Gaussian Mixtures for Active Appearance
Models", International Conference on Image Processing (ICIP 2008),
October 2008.
[3] A. Sattar and R. Séguier, "MVAAM (Multi-View Active
Appearance Model) Optimized by Multi-Objective Genetic
Algorithm", International Conference on Automatic Face and
Gesture Recognition (FG 2008), September 2008.
[4] N. Stoiber, R. Séguier and G. Breton, "Automatic design of a
control interface for a synthetic face", International Conference on
Intelligent User Interfaces (IUI 2009), February 2009.
Recherche Research
2009 / 2011
35
2.
2.4
Traitement multidimensionnel pour le RADAR
Multidimensional processing for radar applications
Les avancées récentes des technologies dans le domaine du RADAR ont
conduit à la dégradation significative des outils de traitement classiquement utilisés. Ainsi, l'amélioration de la résolution permet une meilleure
détection ainsi qu'une meilleure classification des cibles, mais dans des
conditions de fouillis qui ne respectait plus l'hypothèse conventionnelle de
gaussianité.
Depuis plusieurs années, les traitements multidimensionnels ont connu un
essor important dans le domaine du RADAR : le traitement spatio-temporel
adaptatif (STAP), le radar à ouverture de synthèse (SAR), les radars MIMO,…
Les travaux menés exploitent la nature hétérogène, non stationnaire et
non gaussienne du fouillis pour développer des outils robustes à ces divers
scenarii. Grâce à l'utilisation des modèles SIRP (processus aléatoires
sphériquement invariants), validés par de nombreuses campagnes de
mesures, nous avons mis en œuvre des algorithmes d'estimation (estimateur du Point Fixe) et de détection qui ont démontré leur supériorité par
rapport aux techniques classiques.
Recent advances of technology in the field of RADAR led to significant deterioration in the use of classical processing tools. Thus, one of the main
contributions is to improve the resolution, which allows a better detection
and improve classification of targets. But in this context, the clutter cannot
assumed anymore to be Gaussian. For example, the assumptions of Central
Limit Theorem are not repected anymore.
For several years, multidimensional processing has increased importance
in the field of RADAR: spatio-temporal adaptive processing (STAP), synthetic aperture radar (SAR), multiple input multiple output radar
(MIMO),...
This work exploits the heterogeneous nature, non-stationarity and nongaussiannity of the clutter in order to develop robust tools to these various
scenarios. Using SIRP (spherically invariant random process) model, validated by several measurements, we have implemented algorithms for estimation problems (Fixed Point estimate) and for detection problems that
have demonstrated their superiority over classical techniques.
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Sujets
Topics
1. Traitements Spatio-Temporels Adaptatifs (STAP)
Modélisation par des processus aléatoires sphériquement invariants
(SIRP).
Exploitation de la structure de la matrice de covariance du clutter
(Persymétrie, Toeplitz).
Mise en place de détecteurs STAP.
Amélioration des performances de détection grâce à des techniques à
rang réduit.
Application sur des données réelles fournies par le CELAR, laboratoire
de la DGA.
1. Space-Time Adaptive Processing (STAP)
Spherically Invariant Random Process (SIRP) modeling.
Exploitation of the structure of the clutter covariance matrix
(Persymmetry, Toeplitz,...).
Derivation of STAP detector.
Improvment of détection performance by low ranh techniques.
Application on real STAP data provided by the CELAR, the French DGA lab.
2. Radar MIMO (Multiple Input Multiple Output)
Modélisation par des processus aléatoires sphériquement invariants
(SIRP).
Mise en place d'outils adaptés au fouillis non gaussien.
Régulation théorique de la fausse alarme.
Détection de cibles fluctuantes.
Expérimentations en chambre anéchoïque (ONERA).
3. Classification polarimétrique dans des images SAR
Exploitation de l'information polarimétrique dans des images SAR
hétérogènes et à très haute résolution.
Classification sur les estimateurs de la matrice de cohérence des pixels.
Mise en place de nouvelles méthodes (estimateur FP, distance SIRV,
algorithme de classification,...).
3. Techniques robustes pour le traitement Radar
Estimation robuste de la matrice de covariance du clutter : méthode du
point fixe.
Analyse des performances statistiques des nouveaux outils mis en
œuvre (détecteur, estimateur, algorithme,…).
Robustesse aux données aberrantes et/ou à la contamination par des cibles.
Détection à Taux de Fausse Alarme Constant (TFAC).
Validation sur données réelles (Thales).
2. Multiple Input Multiple Output Radar
Spherically Invariant Random Process (SIRP) modeling.
Derivation of tools (detector, estimator) for non Gaussian clutter.
Theoretical false alarm regulation.
Detection of fluctuating targets (Swerling).
Experimentations in anechoic chamber (ONERA).
3. Polarimetric Classification in SAR Images
Exploitation of polarimetric information in heterogeneous and very
highly resoluted SAR images.
Classification on the coherency matrix estimate of each pixel.
Derivation of improved methods (FP estimate, SIRV distance, classification algorithm,…).
3. Robust techniques for radar applications
Robust estimation of the clutter covariance matrix: Fixed Point
algorithm.
Statistical performance analysis of the proposed tools (detector, estimator, algorithm).
Analysis of robustness to outliers and/or target contamination.
Constant False Alarm Rate (CFAR) detection.
Validation on real data (Thales).
Frédéric PASCAL
Jean-Philippe OVARLEZ
SONDRA
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 18 03
SONDRA / ONERA
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 93 63 13
36
2.4 Traitement multidimensionnel pour le radar
Multidimensional processing for radar applications
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Détection et estimation en environnement non gaussien
- Application sur des données réelles STAP
Detection and estimation in non Gaussian environment
- Application to STAP data
Frédéric Pascal
Jean-Philippe Ovarlez
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Résumé
Le traitement adaptatif spatio-temporel (STAP) est une technique récente utilisée dans les radars aéroportés pour détecter
des cibles mobiles noyées dans des interférences, telles que des brouilleurs et/ou du fouillis. Tandis que les radars
traditionnels sont capables de détecter des cibles dans le domaine temporel relié à la position de la cible (en terme de case dis
tance, "temps long") ainsi que dans le domaine fréquentiel lié à la vitesse de la cible ("temps court"), le STAP utilise une
dimension supplémentaire dépendant de la localisation angulaire de la cible ("domaine spatial"). Le STAP est donc un
filtrage adapté bidimensionne qui nécessite conjointement le domaine temporel et le domaine spatial pour supprimer les
interférences ainsi que pour améliorer la détection. Dans le cas d'un bruit gaussien, la matrice de covariance (du bruit) est
souvent estimée par la SampleCovariance Matrix, à partir de données secondaires collectées dans les cases adjacentes à celle
sous test. Quand le bruit est non gaussien ou hétérogène, les performances de détection sont dégradées significativement. Nous
proposons ici l'amélioration de ces performances en environnement non-gaussien.
Background and notations
Let us consider here an airborne Uniform Linear Array with L antennas
spaced at d and flying with constant velocity v. This array emits to the
ground, in the direction orthogonal to the flying path (azimuth angle equal
to zero), a known signal s(t) characterized by a constant Pulse Repetition
Frequency 1/T_r and by the wavelength . The Lx1 vector signal x(tj) is
collected by the array at time tj . The concatenation vector of all the collected pulses returns leads to define a MLx1 vector Xj as:
classification of the target (with the Doppler and the azimuth). The radar
parameters are the following: X band, aircraft speed 100m/s, distance between aircraft and target 30km, grazing angle 5°, 1kHz of Pulse Repetition
Frequency, 4 antennas with antenna interleaving 0.3m, 512 range bins
and 64 pulses.
The proposed detection scheme improves the noise cancellation in comparison to the classical techniques. The outlooks are to work on the signal of
interest and not only on the clutter parameters estimation.
The exploitation of the path difference on the array allows to model the
signal received by the array from a source with amplitude A located at the
azimuth angle and at the range c tj/2. Finally, the Doppler effect allows
to rewrite the signal as:
Figure (a): Classical techniques for range bin 256 with a target with
speed 4m/s located at the azimuth 0°
where is the Kronecker product, fd is the Doppler frequency of the source.
In the following, the Kronecker product between bM(fd) and aL( ) will be
denoted by p (fd ).
STAP detection problem formulation
Let us now consider a source with amplitude A0, located at azimuth angle
0 and in a range gate j with Doppler fd,0, the detection problem addressed here consists in deciding between the two following hypothesis:
where i = j and where the Xc,i are the N signal-free secondary data containing the interferences (noise and clutter). When the secondary data are
not Gaussian distributed, one can define the covariance matrix of the
interferences by the solution of the following implicit equation (see [1,2]):
and the resulting adaptive detector becomes [3]:
Figure (b): Improved detector for range bin 256 with a target with
speed 4m/s located at the azimuth 0°
References
[1] F. Pascal, Y. Chitour, J-P. Ovarlez, P. Forster and P. Larzabal.
"Covariance structure maximum likelihood stimates in compound
gaussian noise : Existence and algorithm analysis." IEEE Trans.-SP,
56(1):34-48, January 2008.
[2] F. Pascal, P. Forster, J-P. Ovarlez and P. Larzabal. "Performance
analysis of covariance matrix estimates in impulsive noise." IEEE
Trans.-SP, 56(6):2206-2217, June 2008.
This detector has been used on STAP data provided by the CELAR institute (DGA). The STAP clutter is built by CELAR from real SAR data. The
first investigations provided improved results in terms of detection and
Recherche Research
[3] F. Pascal, J.-P. Ovarlez, P. Forster, and P. Larzabal, “On a sirv-cfar
detector with radar experimentations in impulsive noise” in Proc. of
the European Signal Processing Conf., EUSIPCO-06, Florence, Italy,
September, 2006.
2009 / 2011
37
2.
2.5
Signaux et échantillonnage singuliers
Singular sampling and signal processing
Disposer périodiquement des échantillons d'un signal n'est ni toujours
possible, ni toujours utile. Par exemple, certains échantillons peuvent être
perdus par suite d'erreurs de transmission, certaines mesures sont intrinsèquement asynchrones (c'est le cas de leur transmission sur certains
types de réseaux - à accès aléatoire ou à commutation de paquets, par
exemple -, des mesures Doppler, des mesures par comptage de particules
ou encore de la vélocimétrie laser). De plus, acquérir ou émettre un échantillon quand il n'est pas porteur d'information est inutile : on utilise alors
en pure perte de l'énergie électrique (systèmes à alimentation sur piles,
par exemple). Dans le contexte général de l'utilisation optimale des ressources de transmission des données, sont étudiées en conséquence des
solutions fondées sur ce type d'échantillonnage, qui aboutissent à des procédés de compression de données. Le traitement d'antennes lacunaires est
un axe de développement des méthodes d'analyse des signaux à échantillonnage non uniforme (SENU).
Periodic sampling is not always feasible, nor is it useful. For instance, some
samples may be lost due to transmission errors, or some observation processes may be intrinsically asynchronous. This is the case with certain
transmissions over a given network, such as multi-access or packet switching networks, or other types of measurements (e.g. Doppler, particles
counting, and laser velocimetry). Moreover, a sample that does not carry
any information does not need to be acquired or even transmitted. This may
happen, for instance, when the signal is totally predictable, even if this
value is missing. In this case, electric power or transfer throughput may be
utilized. In this context of an optimal use of data transmission resources,
several methods based on this new sampling concept have been developed.
As a result, the proposed processes show natural compression properties.
Lacunar antenna analysis has also been developed recently within the framework of non-uniform sampling signals (NUSS).
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Sujets
Topics
1. Méthodes générales de traitement
Identification adaptative stable et reconstruction robuste de signaux
AR 1D et 2D à échantillons manquants (algorithme en treillis associé à
filtre de Kalman pour la prédiction).
Modélisation de signaux échantillonnés irrégulièrement (application à
la modélisation du logarithme du prix d'actif par une équation différentielle stochastique).
Estimation en ligne de paramètres à partir de données échantillonnées
irrégulièrement (application à l'estimation de la volatilité instantanée
par un algorithme LMS).
1. General processing methods
Adaptive and stable identification of irregular sampled 1D and 2D AR
signals for reconstruction purposes (lattice filter based algorithm jointly
used with Kalman filter for the prediction step).
Irregular sampled signals modeling (application to asset price modeling
thanks to a stochastic differential equation).
Recursive estimation of parameters based on irregular sampled data
(application to volatility estimation based on LMS algorithm).
2. Estimation spectrale et traitement d'antennes
Analyse spectrale non paramétrique par un estimateur consistant
(IRINCORREL).
Analyse spectrale paramétrique (fondée sur un modèle CARMA et sur
le concept de pseudo-corrélogramme). Analyse spectrale par une
approche projectionniste qui généralise la classique Slotting technique.
Méthodes à haute résolution : estimation conjointe angle/retard pour
l'estimation de canal de télécommunication, estimation conjointe vitesse/polarisation pour la séparation d'onde sismique. Construction et analyse DOA pour les antennes lacunaires.
Estimation récursive de paramètres ARMA pour les signaux à échantillons manquants.
3. Compression de données
Codeur de parole de type ADPCM à transmission non uniforme.
Compression d'images, avec ou sans pertes, par échantillonnage adaptatif (application aux images médicales 3D, meilleures performances en
termes de compromis taux de compression/ erreur de reconstruction,
comparées aux normes JPEG2000 ou JPEG-LS).
2. Spectral analysis and antennas processing
A new, non-parametric, consistent spectral estimator called
IRINCORREL.
Parametric spectral analysis (based on CARMA modeling and a new
pseudo-correlogram concept). Projection-based spectral analysis which
generalizes well-known Slotting techniques.
High-resolution methods: joint angle/delay estimation for telecommunication channel identification, and joint velocity/polarization estimation
for seismic wave separation. Optimum design and DOA analyses for
lacunar antennas.
Real-time ARMA identification in the case of missing observations.
3. Signal compression
ADPCM-like speech coder based on non-uniform transmission.
Images compression, with or without loss, based on adaptive sampling
(application for 3D medical imaging, better trade-off between compression rate and quantification error compared to JPEG2000 or JPEG-LS
standards).
Gilles FLEURY
Elisabeth LAHALLE
José PICHERAL
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 13 91
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 14 27
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 14 10
38
2.5 Signaux et échantillonnage singuliers
Singular sampling and signal processing
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Advantages of nonuniform arrays using root-MUSIC
Avantages des antennes lacunaires en utilisant root-MUSIC
Carine El Kassis
José Picheral
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Résumé
Nous considérons le problème d'estimation des directions d'arrivée dans le cas des réseaux d'antennes lacunaires. Nous
montrons que l'algorithme root-MUSIC peut directement être appliqué aux antennes lacunaires et exploite les avantages des réseaux non
uniformes en s'affranchissant des problèmes liés aux lobes secondaires. Nous montrons, par une analyse théorique, que pour
un même nombre de capteurs, un réseau non uniforme présente de meilleures performances qu'un réseau uniforme. De plus, si nous réduisons
le nombre de capteurs en maintenant la même ouverture, les performances du réseau ne sont que très légèrement affectées.
Introduction
We are interested in the Direction Of Arrival (DOA) estimation problem, in
the case of Nonuniform Linear Arrays (NLA). In particular, we use the case
of uniform grid arrays with missing sensors. In practice, some of the sensors
in a uniform array may stop functioning, which yields an NLA. Another
application of NLA is the design of high performance and low cost arrays
with reduced number of sensors. Reducing the number of sensors decreases
the production cost as well as the computational time. Thanks to its generality, spectral MUSIC is applicable to any type of array geometry.
Friedlander [1] proposes a sector dependant interpolation to obtain a virtual Uniform Linear Array (ULA). In [2], the authors propose the
Expectation-Maximization (EM) algorithm in order to interpolate the observed data. In this paper, we use the simple root-MUSIC [3] algorithm directly applied to the NLA case. It does not require any additional data transformation and can be considered as one of the simplest methods to deal with
the NLA case. Furthermore, it is known that nonuniform spacing may lead
to improved DOA estimation performance in terms of minimum variance
[2]. In this paper, we achieve an analytical and simulation performance
study in order to show the advantages of using an NLA instead of a ULA for
DOA estimation. Results show that using an NLA having the same aperture as a ULA but with significantly less number of sensors maintain good
performance. In addition, we show that the performance of an NLA is better than the equivalent ULA with the same number of sensors, i.e. with a
smaller aperture.
Figure 1: centro-symetric NLA,
: existing sensor,
where SNR is the Signal to Noise Ratio, and
is the variance of the
sensors positions dm . Consider the case of NLA with centro-symetric geometry as shown in Fig. 1. This structure maximizes the
for a given number of sensors M and aperture M’. The ratio of the NLA CRB to the ULA
where
CRB having the same aperture M’ is
is the number of missing sensors. That means if the number of missing sensors is small enough with respect to M’, the last term is negligible. Thus,
the NLA performance is almost the same as the ULA having the same aperture. If we consider a ULA and an NLA having the same number of sensors
M, the ration becomes:
Thus, the ULA performance degrades rapidly in comparison to the NLA when the aperture
M' increases.
Results
In this experiment, we chose nine NLAs having an aperture of 10 as the
ULA with 10 sensors, and the number of sensors vary from M = 9 to
M = 3. We fix the SNR at 10 dB, the DOAs are located at [-5°;10°] and we
plot the Root Mean Square (RMS) error for the source at -5° versus the
number of sensors (Fig. 2). For each value of M, we compare the performance of the NLA with M sensors to the ULA with M sensors. We see that NLA
provides better performance than the ULA with the same number of
sensors. Furthermore, if we focus on the NLA curve, we can see that going
from M = 9 to , M = 4 slightly changes the performance. This means that
instead of using 10 sensors, similar RMS error can be achieved using only
half of the number of sensors, thanks to Root-MUSIC.
: missing sensor
Theoretical analysis
N far-field narrowband sources are incident on an M-element linear
array from directions
The sensors, assumed to be
omnidirectional, are situated at positions dm (m = 1,…,M) where
dm =
being an integer and
is the intersensor separation.
,
The signal received by the M array elements and sampled by L samples can
be written as:
where
is the steering matrix of the NLA and a( ) =
S is the complex amplitude of the signals and V is an additive white
Gaussian noise with zero mean and covariance
. The covariance matrix
is given by:
where Rss is the source covariance
matrix. Let EN denote a basis of the noise subspace formed by the (M - N)
unitnorm eigenvectors associated with the (M - N) smallest eigenvalues.
It is straightforward that the noise subspace is orthogonal to the
steering matrix and thus:
, we can define the vector
Define the polynomial
Exploiting the property of orthogonality, it is easy to show that when ÊN = EN and Rank (ARss) = N,
the only 2N roots of G(z) of unitary modulus have the form
and
and
. The expression of the Cramer-Rao Bound (CRB) in the case of NLA with N=1 source
and L = 1 observation is given by:
Recherche Research
Figure 2: RMS error for the source at -5°
References
[1] B. Friedlander, “The root-MUSIC algorithm for direction finding
with interpolated arrays,” Signal Processing, vol. 30, no. 1, 1993.
[2] A. J. Weiss, A. S. Willsky and B. C. Levy, “Nonuniform array processing via the polynomial approach”, IEEE Transactions on
Aerospace and Electronic Systems, vol. 25, no. 1, 1989.
[3] C. El Kassis, J. Picheral and C. Mokbel, “Advantages of nonuniform arrays using root-MUSIC”, Signal Processing (2009), doc :
10.1016/j. sigpro. 2009.07.014.
2009 / 2011
39
40
3. INFORMATIQUE ET RÉSEAUX
3
41
3.
3.1
Modélisation hétérogène et logiciel enfoui
Heterogeneous modeling and embedded software
La conception d'un système fait appel à différents métiers qui utilisent
chacun des concepts et des outils de modélisation spécifiques adaptés à
l'aspect ou la partie du système qu'ils traitent, ainsi qu'à la phase de
conception et au niveau d'abstraction auquel ils le traitent. La nécessité
de modéliser la totalité du système de façon cohérente - afin de simuler
son comportement, valider formellement certaines propriétés ou générer
une implémentation pour une architecture cible - implique donc de raisonner sur un modèle hétérogène du système, ce qui oblige à définir précisément la sémantique des modèles métier et de leur combinaison.
La modélisation hétérogène permet donc de construire un modèle global
d'un système (sujet 1) qui permet de le concevoir tout en prenant en compte des contraintes non fonctionnelles, et de le valider en raisonnant formellement sur ses propriétés (sujet 2).
Ces travaux s'inscrivent dans le cadre de l'ingénierie dirigée par les
modèles et des recommandations de l'Object Management Group (OMG).
The design of a system involves several technical specialties that each have
their own mindset and modeling tools. These tools suit the needs for a specific abstraction level, a particular aspect and a given part of the system,
as well as a design phase. The need for a global and consistent model of the
system - for simulation, formal proof of properties or code generation for a
target platform - requires the ability to work on the system using a global
heterogeneous model. Such a model is useful only if we are able to precisely define the semantics of each domain-specific model and of their combination in an heterogeneous model.
Heterogeneous modeling allows the construction of global models of a system (topic 1) which allows a designer to take non-functional constraints
into account while building a system, and to validate the system using formal techniques (topic 2).
This work is done in the context of Model Driven Engineering and follows
the recommendations of the OMG (Object Management Group).
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Sujets
Topics
1. Modélisation et validation des systèmes
Conception de modèles d'exécution pour les systèmes hétérogènes.
Conception séparée du contrôle et des traitements pour faciliter les
preuves.
Adaptation de la sémantique d'un modèle de calcul à son environnement d'exécution.
Conception de composants adaptatifs, réutilisables selon plusieurs
modèles de calcul.
Modélisation des liens entre différentes vues d'un même système, vérification de la cohérence entre ces vues.
Génération de scénarios de test pour valider le comportement de systèmes hétérogènes.
Dans le cadre d'UML, formalisation de la sémantique des modèles de
calcul ou d'exécution. Définition de méta-modèles et de profils, approche
par transformation de modèles.
1. Modeling and Validation of Systems
Design of execution models for heterogeneous systems.
Separate design of control and processing to make formal proofs easier.
Adapting the semantics of a model of computation to its runtime environment.
Design of adaptive components, reusable in different models of computation.
Modeling of the links between several views of a given system, consistency checking of these views.
Generation of test cases for validating the behavior of heterogeneous systems.
In the context of UML, formal definition of the semantics of models of
computation. Definition of meta-models and profiles, transformations of
models.
2. Validation formelle
Modularité des preuves et formalisation des mécanismes de sûreté pour
permettre de composer des modules en conservant les propriétés de
sûreté de chacun d'entre eux. Utilisation en particulier de l'approche
réactive synchrone, de la méthode B et des réseaux de Petri.
2. Formal proofs
Modular proofs and formal description of safety mechanisms to allow
the composition of modules while preserving their individual safety properties. Use of the synchronous reactive approach, of the B method, and
of Petri nets.
Frédéric BOULANGER
Dominique MARCADET
Guy VIDAL-NAQUET
Sujet 1 / Topic 1
Département Informatique
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 14 84
Sujet 1 / Topic 1
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 14 73
Sujet 2 / Topic 2
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 14 75
42
3.1 Modélisation hétérogène et logiciel enfoui
Heterogeneous modeling and embedded software
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Verification of safety properties on heterogeneous systems
Vérification de propriétés de sûreté sur des sytèmes hétérogènes
Christophe Jacquet
Frédéric Boulanger
Dominique Marcadet
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Résumé
Les systèmes industriels complexes sont en général composés de sous-systèmes décrits à l'aide de différentes méthodes de
modélisation. Nos travaux visent à permettre aux concepteurs d'utiliser le formalisme de description le plus adapté à chaque
sous-système, tout en étant capable d'exprimer le recollement entre les différents sous-systèmes. Dans cet exemple, nous
montrons comment cette approche permet de valider les aspects critiques d'un système doté d'un contrôleur synchrone. Des
propriétés de sûreté, exprimées par le concepteur sur les signaux du système, sont traduites automatiquement en observateurs
du comportement du contrôleur. Les outils de model-checking permettent alors de vérifier formellement la conformité du
système aux propriétés de sûreté spécifiées.
Introduction
Verification of Safety Properties
We describe a method for the design and code generation of heterogeneous
software systems, which allows the specification of safety properties on the
system and their formal verification. We distinguish two aspects in the design of a heterogeneous system: data processing, which produces the outputs
from the inputs, and control, which determines the schedule and parameters of the operations. Data processing is described by data-flow models,
whereas control is described by state machines or synchronous languages.
Designing control independently from data processing allows the formal
verification, re-use and independent modification of the parts of the system.
We propose a modular approach, in which data processing is modeled by a
data-flow network of processing components, and control is modeled by a
unique control component whose inputs and outputs are pure events. Such
a description of an application can be used both for deployment [1] and for
validation [2]. System designers can express safety properties, which apply
globally to the inputs and outputs of the application. Our main contribution
is the automatic translation of these properties into local properties of the
control component. The latter properties are transformed into observers in
the formalism used for the controller. In this way, classical formal methods
and tools can be used to check the control component directly: what is proved is what gets executed.
We allow the designer to express safety properties (LTL formulae of the
form
f where
is the “always” temporal operator, and f contains past
operators only) that involve any of the application's signals. For instance,
the following formula expresses the fact that the cruise control should not
set the target speed when the current speed is off-limits:
¬( (speed < 40 v speed > 130) set_speed )
From that, we automatically create an intermediate formula which refers to
controller events only. Therefore, we translate data flow signals or other
events into intervals between two events. For instance, from the definition
of the SpeedCheck component, one sees that the sub-formula
speed < 40 v speed > 130 starts to be true when event speed_nok is emitted, and ceases to be true when speed_ok is emitted. This means that this
sub-formula corresponds to the interval [speed_nok, speed_ok[. The safety formula above yields the following that involves only controller events
and can be translated into a Lustre or Esterel observer:
¬( [speed_nok, speed_ok[ [set_speed, !set_speed[ )
v
The ADLV language allows one to describe an application based on components connected through events (
event source,
event sink) and
data flows (
data flow out,
data flow in). Figure 1 is an ADLV description of a cruise control system.
v
Application Description Language for Verification
Approximate Observers
It may not be possible to find exact matches between safety properties
and the ADLV description. For instance, if we replace
speed > 130 by speed > 140 in the safety formula above, it is no longer possible to generate an observer with the same method. However, we can generate an approximate observer since (speed > 140) = (speed > 130).
This means that the event which corresponds to speed > 130 happens
before that triggering speed > 140. Therefore the interval [speed_nok,
speed_ok[ is an approximation of the interval corresponding to the new
formula, but it is too narrow. When we use it to generate an observer, if
model-checking detects a failure, this will be a real failure of the system, but
the check may miss some misbehaviors. Conversely, with too large an interval, an observer that passes would guarantee that the system conforms to
the safety property, however, that observer might detect some false positives.
Conclusions
Thanks to the method presented above, the designer of a system may express
safety properties in the global context of the system, and yet can use model-checking tools to get an exhaustive diagnosis on the system controller. In cases when
an exact observer cannot be generated, the method provides a clear indication of
whether a sub- or over-verification is performed, allowing the designer to get
useful results even in this case. The method has been implemented in an extensible tool chain that currently targets Esterel and Lustre.
Figure 1: Cruise control in ADLV.
Components can be of three types:
- the controller of the application, written in Esterel or Lustre,
- external components modeled using various methods, for instance
Simulink components or C code. They are viewed as black boxes,
- internal components, which translate between events and data flows and
are described in ADLV. Figure 2 shows the description of the SpeedCheck
internal component in ADLV's textual syntax.
internal component SpeedCheck {
sink FloatFlow current_speed;
publishes PureEvent speed_ok {
when current_speed >= 40
&& current_speed <= 130;
}
publishes PureEventspeed_nok {
when current_speed < 40
|| current_speed > 130;
}
};
This work has been performed in the context of the Usine Logicielle project (www.usinelogicielle.org) and is partially financed by the System@tic Paris-Région Competitiveness
Cluster (www.systematic-paris-region.org).
References
[1] A. Bouzoualegh, D. Marcadet, F. Boulanger and C. Jacquet, “An
Architecture Description Language for Verification in ComponentBased Software”, Proceedings of the 32nd Annual IEEE
International Computer Software and Applications Conference,
COMPSAC 2008, Jul 2008. pp. 365-368.
[2] C. Jacquet, F. Boulanger and D. Marcadet. “From Data to Events:
Checking Properties on the Control of a System”, Memocode 2008,
the sixth ACM/IEEE International Conference on Formal Methods
and Models for Co-Design, Jun 2008. pp. 17-26.
Figure 2: Internal component SpeedCheck.
Recherche Research
2009 / 2011
43
3.
3.2
Détection d'intrusions
Intrusion Detection
Les organisations humaines de toutes tailles dépendant aujourd'hui très
fortement de leurs systèmes informatiques, si bien que leur sécurité est
devenue un enjeu crucial. Il convient donc, préventivement, de définir et
de mettre en œuvre des politiques de sécurité. En outre, en tenant compte de failles toujours possibles, il convient également, en seconde ligne de
défense, de contrôler le respect de la dite politique. En d'autres termes, on
cherchera à détecter toute action non conforme à la politique. C'est la
détection d'intrusions. Les principaux outils de détection d'intrusions couramment utilisés de nos jours ne permettent de détecter que des attaques
déjà répertoriées (approche dite par signature). Ils se heurtent donc au
problème quotidien des nouvelles formes d'attaques. Pour contourner ce
problème, la « détection d'anomalies » consiste à confronter le comportement courant de l'entité surveillée à un modèle de comportement de référence construit préalablement. Classiquement, le modèle de référence est
construit par apprentissage. Par exemple, le comportement d'un processus
applicatif est observé pendant le temps nécessaire à la découverte de
toutes les suites d'une longueur donnée d'appels systèmes émis par ce processus. En phase de détection, toute suite de cette longueur qui ne se trouvent pas dans le modèle donne lieu à alarme. En effet, une attaque par
injection de code, par exemple peut expliquer cette situation.
Computer and network security is nowadays a major concern, as human
organizations of any kind and any size depend on its information system.
The answer essentially lies in the capacity to define and enforce security
policies; subsequently it is important to consider that flaws are always possible and to monitor systems in order to detect possible exploitation of these
flaws. This is intrusion detection. Intrusion detection systems currently
used can only detect already known attacks (misuse detection). Thus, they
face the problem of daily appearing new form of attacks. To avoid this problem, “anomaly detection” aims at comparing a current observed behaviour
of the monitored entity, to a reference model previously built. Generally the
reference model is built through a learning process. For example, an applicative process is, in an initial learning phase, observed during the period of
time needed to identify all the possible system call sequences of a given
length. Then, in a detection phase, sequences occurring but not present in
the identified possible sequences lead to the emission of an alert. Indeed,
such a situation may be the result of a code injection attack.
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Sujets
Topics
Notre contribution au domaine de la détection d'intrusions s'inscrit dans
le cadre de la détection d'anomalies. Cependant, nous cherchons à
construire des modèles de référence en évitant toute forme d'apprentisage. En effet, un modèle appris peut être incorrect (la phase d'apprentissage peut inclure des attaques) ou incomplet (il est difficile voire impossible
de savoir si toute les situations possibles ont été rencontrées pendant
l'apprentissage). Pour éviter l'apprentissage, nous avons exploré diverses
pistes. Par exemple, dans l'exemple présenté ci-contre, le modèle de
référence est implicite, chaque version constituant un modèle pour les
autres. Une autre approche qui nous semble particulièrement intéressante, consiste à faire de la politique de sécurité la référence. Nous avons
proposé un mécanisme de surveillance des flux d'information paramétré
par la politique, qui permet de détecter tout accès à l'information illégal
au regard de la dite politique, et ce même lorsque l'information n'est plus
dans son conteneur d'origine. Ce mécanisme de détection de flux illégaux
peut être implanté à divers niveaux. Nous disposons d'une implantation
au niveau système d'exploitation et au niveau langage (java/JVM).
Our contributions to the intrusion detection field are mainly related to anomaly detection. Nevertheless, we avoid, as far as possible, relying on a learning mechanism. Indeed, learning may lead to incorrect (attacks may
occurs during the learning phase) or incomplete (it is difficult if not impossible to know if all the possible behaviours have been seen during the learning phase) models. To avoid learning, we have explored several research
tracks. For example, the work presented here after proposes to consider an
implicit reference model. Here, the user requests are forwarded to different
modules that implements the same functionality but through diverse designs. Any difference between responses that are returned by these modules
can be interpreted as a possible corruption of one or several modules. This
provides a way to detect intrusions in the diversified system. Another
appealing approach lies for us in policy-based intrusion detection. Here, the
detection system is aware of the security policy that constitutes actually the
reference model. We have proposed an approach to monitor information
flows allowing detecting violation of a security policy even if the information is no more in its original container. Such an approach can be implemented at various levels. We have an implementation for a Linux operating
system and another one for the Java Virtual Machine.
Ludovic MÉ
Équipe SSIR
Campus de Rennes
Tél. : 33 (0) 2 99 84 45 00
44
3.2 Détection d'intrusions
Intrusion Detection
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Anomaly detection through design diversity
Détection d’anomalies par diversité fonctionnelle
Ludovic Mé
Eric Totel
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Résumé
Les approches de détection d'intrusions dites « comportementales » (« anomaly detection », en anglais) demandent qu'un
modèle de comportement de l'entité surveillée soit explicitement défini. Nous proposons ici une nouvelle approche, basée sur
la diversification fonctionnelle, qui permet de contourner cette contrainte en proposant un modèle de référence implicite. Nous
avons expérimenté, sur une architecture à trois serveurs, deux algorithmes de détection. Le premier (boîte blanche) compare
les sorties des serveurs, tandis que le second (boîte grise) compare les flux d'information internes aux serveurs. Ces deux algorithmes donnent des résultats expérimentaux intéressants. Le second offre cependant un taux de couverture plus large et, de
surcroit, permet une forme de diagnostic de l'anomalie détecter.
Design diversity aims at fault tolerance by performing a function in two or
more versions and then by executing a comparison algorithm (difference
detection) on the different results. To greatly reduce the probability of common-mode failure in the different versions, they are independently designed
and produced, by different teams using different tools. Design diversity is of
course a very expensive approach, as the same software has to be developed
several times. However, many of the services available via the Internet are
already implemented as Components-Off-The-Shelf (COTS) on a wide range
of operating systems. We have here a “natural” diversity of these services, as
they offer the same functionalities. That is why we proposed to build on
COTS diversity.
The output differences that can be detected are due to design differences
either in the specific parts of the specifications, or in the part of the program
covered by the common specification. We intend to detect differences that
are the consequences of the exploit of vulnerabilities (these vulnerabilities
are design faults and can be part of any of the two classes that have been
listed above). The output differences detected that are due to classical
design faults or specification differences would actually lead to false alarms
and must be eliminated. In order to avoid known difference of servers' behavior, masking functions are applied to modify the request before it is processed or the response after processing. In both cases, these differences are
experimentally identified.
Albeit two COTS implementing the same service should theoretically follow
the same specification, there is unfortunately no proof that it is the case.
Actually, it is only true for the COTS user interfaces, that are explicitly provided, for instance by some international standard. The comparison algorithm can obviously only be applied on the outputs that are defined by the
common specification, and not on other outputs that may be defined by a
COTS specific specification part.
In order to compare the responses from the COTS servers, we have proposed and evaluated two mechanisms: a black box approach that consist in
comparing the outputs of the diversified services (http responses) without
any knowledge of the internals of the servers [1], and a grey box approach
that relies on an intrusive observation of the activities that occur on the
diversified servers (information flow graphs generated by the activities on
the servers) [2].
Our experiments have shown that both approaches can provide a high coverage of detection and a low level of false positives. However, the black-box
approach cannot obviously detect intrusions that have no impact on the network outputs. The grey-box approach increases thus the detection coverage.
Moreover, it adds an interesting diagnosis capability to the IDS, as the analysis of the differences between the information flow graphs enlightens the
effects of the intrusions at the OS level. The advantage here is thus to propose to the administrator more than a simple intrusion detection mechanism: it brings him an evidence of the intrusion and its causes. As far as we
know, this is the first anomaly detector that offers such a capability.
(1) A study of the vulnerabilities of IIS and Apache proves that there are very few common mode failures between them.
Figure 1: General architecture
The architecture we proposed (Fig. 1) is composed of three components: a
proxy, an IDS (Intrusion Detection System), and a set of servers. The role of
the proxy is to handle the client requests. It forwards the request from the
client to the COTS servers and then forwards the response from the IDS to
the client. It is the sole part of the architecture accessible directly to the
clients but it is simple enough to be considered as secure. The IDS is in charge of comparing the responses from the COTS servers. If it detects some differences, it raises an alarm and it informs the proxy of the response that has
been elected by a voting algorithm. This algorithm is in charge of choosing
which response must be sent back to the client. A set of COTS servers provides the service requested by the client. These servers offer the same services but they are diverse in terms of application software, operating systems and hardware. This aims to reduce the probability of a common-mode
failure: in the context of our studies, it aims at ensuring the vulnerabilities
of the different servers are not correlated and thus that an intrusion occurs
in only one COTS server at a time. Because the other COTS servers are not
affected by the same vulnerability, the architecture allows to detect the
intrusion and even to tolerate it (1).
Recherche Research
References
[1] F. Majorczyk, E. Totel, and L. Mé. “COTS Diversity Based
Intrusion Detection and Application to Web Servers”. In proceedings
of the 8th RAID Symposium. Springer Verlag, LNCS 3858,
September 2005.
[2] F. Majorczyk, E. Totel, L. Mé, and A. Saidane. “Anomaly Detection
with Diagnosis in Diversified Systems using Information Flow
Graphs”. In proceedings of the 23rd IFIP SEC Conference. September
2008.
2009 / 2011
45
3.
3.3
Sécurité des réseaux auto-organisés
Self-organized Networks Security
Nous regroupons sous la dénomination « réseaux auto-organisés » tout
réseau se caractérisant par l'absence d'une autorité globale en charge de
définir et maintenir d'une part son infrastructure, d'autre part la politique
de sécurité qui s'y applique. Cette absence d'autorité se traduit pas la
nécessité d'intégrer, au niveau de chaque nœud, des mécanismes permettant de constituer et de gérer le dit réseau. La notion de réseaux autoorganisés est naturellement présente dans l'informatique ambiante (ubiquitous computing) avec les réseaux ad hoc (ou MANET pour Mobile Ad
hoc NETwork), mais également dans les systèmes distribués avec les
réseaux pair-à-pair (P2P). Dans le cas des réseaux ad hoc, la problématique est la mise en place des mécanismes de routage nécessaires à l'interconnexion des nœuds. Dans le cas des réseaux P2P, les problèmes relèvent davantage du partage et de la distribution de l'information. Du point
de vue de la sécurité, les réseaux auto-organisés n'introduisent pas réellement de nouveaux problèmes. En revanche, l'absence d'autorité centrale
en charge de gérer les infrastructures et les usages a des conséquences
importantes. En particulier, chaque nœud doit considérer qu'il évolue dans
un environnement « à risque » et donc mettre en place les mécanismes lui
permettant de se protéger contre les nœuds malveillants, éventuellement
en collaborant avec les nœuds qu'il sait être bienveillants.
We call « Self-Organized Networks » any network that has no global authority in charge of defining and managing its infrastructure as well as its
security policy. The absence of such an authority leads to the necessity to
integrate, on each node of the network, the mechanisms and services that
are mandatory to build and manage the network. The notion of self-organized networks is present in the ubiquitous computing with the ad hoc network or MANET (Mobile Ad Hoc NETwork) and in the distributed systems
with the P2P networks. In the case of ad hoc networks, the main problem is
to establish the routing infrastructure that allows interconnecting the
nodes. In the context of the P2P networks, the challenge is to propose a distributed mechanism to share and manage the information of the nodes.
From the security point of view, the self-organized networks do not really
introduce new problems. However, the absence of a central authority in
charge of managing the infrastructures and the services has serious consequences. In particular, each node have to consider that it evolves in an insecure environment, and so has to implement its own mechanisms to enforce
its security against malicious nodes, eventually by collaborating with some
trusted nodes.
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Sujets
Topics
1. Sécurité des réseaux ad hoc
Expression formelle des règles de confiance implicite.
Détection des incohérences entre les informations de routage.
Détection des nœuds ayant un comportement malicieux.
1. Security of ad hoc networks
Formal specification of the implicit trust relations.
Detection of inconsistencies of the routing information.
Detection of nodes having malicious behavior.
2. Sécurité des réseaux P2P
Système de contrôle d'accès distribué à base de cryptographie à seuil
adaptatif.
Protection contre les attaques de type Sybil.
Détection et révocation de nœuds ayant un comportement malicieux.
2. Security of P2P networks
Distributed access control based on a adaptive threshold cryptography
scheme.
Protection against Sybil attacks.
Detection and revocation of nodes having malicious behavior.
Christophe BIDAN
Équipe SSIR
Campus de Rennes
Tél. : 33 (0) 2 99 84 45 00
46
3.3 Sécurité des réseaux auto-organisés
Self-organized Networks Security
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Trust management as a security solution for OLSR protocol
Gestion de la confiance au service de la sécurité du protocole OLSR
Christophe Bidan
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Résumé
La notion de confiance, quoique implicite, est toujours présente dans le fonctionnement des protocoles, en particulier, entre les
entités qui participent aux opérations de routage. Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à la gestion de la confiance
(trust management) comme une solution de sécurité pour le protocole OLSR (Optimized Link State Routing Protocol). Cette
approche s'adapte particulièrement à la nature mobile, distribuée et auto-organisée des réseaux ad-hoc. De plus, la gestion
explicite de la confiance permet aux entités de raisonner avec et à propos de la confiance, les rendant ainsi plus robustes pour
la prise de décisions concernant les autres entités.
Context
Several research studies were conducted during the last few years aiming
at developing protocols for networks whose nodes communicate directly
with each other to relay messages without the support of a central entity.
This operating mode characterizes the ad hoc networks, for which the
Internet Engineering Task Force (IETF) standardized some routing protocols such as the Optimized Link State Routing Protocol (OLSR, RFC3626).
Due to the absence of a fixed network infrastructure as well as a central
entity, traditional security solutions are not adapted to the ad hoc networks.
Especially, since all nodes are involved in the routing protocol, each node
should consider other nodes as potential attackers. Thus, new security solutions have been proposed to secure the routing protocol in ad hoc networks.
These solutions are often focused on the security of the routing information
(in terms of confidentiality and integrity), and are based on either a central
authority, or the cooperation between the nodes. However, they do not take
into account the nodes that exploit vulnerabilities in the routing protocol.
Finally, we have proposed two kinds of counter-measure. Some of the vulnerabilities of the OLSR protocol are due to the easy usurpation of node's
identity or to the lack of links verification during the neighborhood discovery step. They can be solved by a preventive solution based on message
signature. Other vulnerabilities cannot be mitigated by preventive measures. We have then proposed a corrective misbehavior and inconsistency
detection solution that permits to isolate the malicious nodes and to share
information about detected attacks so as to make the malicious nodes
known of all the nodes of the network.
Conclusion
In this work, we have demonstrated that trust based reasoning can be
used to enforce the security of the OLSR protocol. This result has motivated us to apply the same approach on other ad hoc routing protocols. We
have begun to study the implicit trust rules of the AODV protocol.
Moreover, we also plan to use the cooperation for the propagation of mistrust, in order to enforce a reputation system by verifying trust relationships before cooperating with the other nodes.
The basic idea of our work is that the notion of trust, although almost implicitly, is always present in network protocols. Thus, it can be regarded as an
unreasonable behavior that protocol entities do not explicitly take trust into
account. Conversely, managing trust explicitly allows the entities to reason
with and based on trust, which in turn helps these entities to take decisions
regarding the other entities. Such an approach fits particularly with the
characteristics of ad-hoc networks, since each node can individually take
decisions about its neighbor nodes.
Contribution
We have focused on the OLSR (Optimized Link State Routing) protocol.
First, we have analyzed the OLSR protocol to demonstrate that, according
to its specifications, the establishment of the routing structure is associated to a process based on trust rules through cooperation among nodes for
discovering neighbors, selecting routers and announcing topology information. We have formalized these implicit trust rules, and shown that for
many attacks against the OLSR protocol, the attacker generally misbehaves with respect to these trust rules.
Based on these trust rules, we have proposed for OLSR the integration of
semantics checking and trust reasoning into each node, so as to allow a
self-organized control to help nodes to detect attacks. The solution consists
in verifying the consistency between the information received by a node.
By using this reasoning, and without modifying the bare OLSR protocole,
each node can evaluate the behavior of its neighbor nodes, and detect misbehavior nodes, and so decided whether it can trust or not these nodes.
We have used the GlomoSim Simulator and the OLSR patch developed by
the Niigata University to simulate the attacks and the mistrust-based
detection process. We have added to this patch a module implementing
mistrust rules, so as to allow the simulations to be carried out for the cases
of the bare OLSR protocol and the OLSR with trust reasoning. Simulation
results have demonstrated the effectiveness of the verification based on
trust reasoning in the attack detection. The results allow setting up verifications that each node can perform to assess the correct behavior of the
other nodes and detect attacks against OLSR. It is important to mention
that the OLSR protocol (messages) is unchanged, and the detection is
based on local observation of each node.
Recherche Research
References
[1] F. Majorczyk, E. Totel, and L. Mé. “COTS Diversity Based
Intrusion Detection and Application to Web Servers”. In proceedings
of the 8th RAID Symposium. Springer Verlag, LNCS 3858,
September 2005.
[2] F. Majorczyk, E. Totel, L. Mé, and A. Saidane. “Anomaly Detection
with Diagnosis in Diversified Systems using Information Flow
Graphs”. In proceedings of the 23rd IFIP SEC Conference. September
2008.
2009 / 2011
47
3.
3.4
Systèmes d'informations hétérogènes et adaptatifs
Heterogeneous and Adaptive Information Systems
Les systèmes d'informations actuels sont caractérisés par leur volume
croissant et leur hétérogénéité en termes de domaines, de sources, de
représentation et de structuration des informations. L'accès à une information pertinente et adaptée aux utilisateurs dans ces systèmes est un
vrai challenge. Les besoins des utilisateurs sont difficiles à traiter, d'une
part, parce qu'ils ne sont pas toujours formulés explicitement, et d'autre
part, parce qu'ils sont évolutifs.
Les systèmes visés sont les systèmes de recommandation, les hypermédias
adaptatifs et les systèmes de recherche d'informations adaptatifs.
Nos travaux portent sur la définition des modèles des utilisateurs, des
contextes, des services et des ressources, ainsi que sur l'exploitation de ces
modèles pour adapter le fonctionnement des systèmes d'informations aux
utilisateurs.
The current information systems are characterized by the increasing number and the heterogeneity of available resources. These resources are heterogeneous on different points of view: domains, sources, representation and
structure. The access to a relevant and adapted information for each user
in these systems is a challenge. The user needs are difficult to deal, on one
hand, because they are not formulated explicitly and, on the other hand,
because they are evolutive.
The aimed systems are recommendation systems, adaptive hypermedia and
more generally adaptive information systems.
Our aim is to define models of the users, models of the contexts, models of
the services and models of the resources and to exploit these models in order
to adapt information systems to the user needs.
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Sujets
Topics
1. Systèmes de recommandation
Conception de systèmes basés sur :
- des modèles utilisateurs hybrides intégrant différentes sources d'informations (numériques ou symboliques) ;
- des méthodes d'apprentissage pour déterminer les recommandations
adaptées à l'utilisateur.
1. Recommendation Systems
Conception of systems based on:
- hybrid user models which take into account different information
sources (numeric and symbolic data);
- learning methods for adapting recommendations according to user
needs.
2. Web adaptatif
Modèles, méthodes et architectures permettant, l'adaptation d'hypermédias à l'utilisateur (profil et objectif) ainsi qu'au contexte d'utilisation. Construction d'une plateforme générique pour le développement
d'applications adaptables. La généricité est réalisée grâce à l'utilisation
de la logique pour la partie moteur d'exécution, et des langages du Web
Sémantique pour la représentation des connaissances.
2. Adaptive Web
Models, methods and architectures allowing, on the fly, the adaptation of
hypermedia systems to the user (profile and aims) and to the context.
Creation of a generic platform for the development of adaptive applications. The genericity is achieved through the use of logic for the execution
machine and the use of the Semantic Web languages for knowledge
representation.
3. Recherche d'information adaptative
Modélisation et conception de systèmes prenant en compte le profil, les
préférences les interactions et l'environnement de l'utilisateur.
Spécification de modèles de fonction de correspondance utilisant des
modèles utilisateurs et les caractéristiques des corpus de documents
traités.
3. Adaptive Information Retrieval
Modelling and conception of systems considering the profile, preferences,
interactions and environment of the user in order to personalize the answers.
Specification of models of matching functions using user models and
features of corpora of documents.
4. Extraction de connaissances
Classification Conceptuelle de données hétérogènes basée sur les
treillis de Galois.
Développement d'un système d'intégration et de recherche d'informations dans des ressources semi-structurées, guidé par les connaissances
du domaine (ontologie).
Apprentissage de documents multimédia annotés pour l'adaptation à
l'utilisateur.
4. Knowledge Extraction
Conceptual clustering of heterogeneous data by Galois lattices.
Ontology-based system for integration of semi-structured resources. The
purpose is to allow users to access directly relevant parts of documents
as answers to their queries.
Learning methods on annotated multimedia documents for user adaptation.
Géraldine POLAILLON
Nacéra BENNACER
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 14 78/14 71
48
Yolaine BOURDA
Bich-Liên DOAN
Sujet 2 / Topic 2
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 14 80
Sujet 3 / Topic 3
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 12 56
3.4 Systèmes d'informations hétérogènes et adaptatifs
Heterogeneous and Adaptive Information Systems
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Reusing Adaptive Hypermedia Models
Réutilisation de modèles d’hypermédias adaptatifs
Nadjet Zemirline
Yolaine Bourda
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Résumé
La conception d'Hypermédias Adaptatifs (HA) est une tâche longue et difficile qui peut-être facilitée par la réutilisation de
systèmes génériques. Nous avons proposé une plateforme générique (GLAM [1]) pour les HA qui permet par spécialisation de
ses modèles de résoudre ce problème. Nous proposons ici, un processus semi-automatique, basé sur des patrons et des règles de
déduction, de spécialisation de modèles. Celui-ci a été implémenté comme un plug-in de la plateforme Protégé et testé dans le
cadre des HA.
Creating Adaptive Hypermedia Systems
Nowadays, there is a growing demand for personalization and the “one-sizefits-all” approach for hypermedia systems is no longer applicable. Adaptive
hypermedia (AH) systems adapt their behavior to the needs of individual
users. Thus, adaptive hypermedia systems are tools to access information
based upon the user's profile represented in a user's model. They also require a domain model to represent the application domain knowledge. These two
kinds of models may be expressed in an AH-specific language or a standard
language (RDF, OWL). Adaptation mechanisms, either rule or trigger based,
which are needed in adaptive hypermedia rely on these models.
The creation of an adaptive hypermedia system is too often made from scratch and the re-use of existing models (user or domain) is very rare although
more and more annotated resources are available. But, if a user wants to use
a specific AH system, he needs to translate his models into the specific format understood by the system and to use the vocabulary specific to that system. Furthermore, she also needs to translate all the instantiations of her
models (i.e. the resources and their metadata). This task is tedious and timeconsuming and we want to avoid it. Our objective is to allow the creator of an
adaptive hypermedia to reuse his models (his vocabulary) and his models'
instantiations without any change of format or vocabulary.
We are currently working on the GLAM (Generic Layered Adaptation
Model) [1] platform defined for an entire class of adaptive hypermedia systems. The platform is made of a generic adaptation model relying on generic user and domain models. Specific systems can be obtained by specializing the GLAM generic user and domain models. However, this specialization process is not always easy to perform and must be supported to make
the design process easier and faster. We aim to automate this process which
has been so far entirely manual. The proposed approach relies on W3C standards (OWL, SWRL) widely used.
Main aspects of the approach
Given two models, a generic model belonging to the GLAM platform and a
specific model provided by a particular AH creator, we propose an approach to support the construction of a model that would integrate all the particularities of the specific model and be usable by the GLAM adaptation
engine. In the approach, mappings must be defined between elements of
both models and then validated at the structural level. Our approach
relies on the AH creator who has a very good understanding of his model.
He will be responsible for semantic validation while all the structural
verifications will be done automatically by our system. The main steps of
the approach are the following:
1. Specification, by the AH creator, of equivalence and specialization mappings between classes of the generic and the specific models, merging
the whole generic GLAM model and the mapped classes of the specific
model (together with the associated mapping links) in order to obtain a
new model (cf. (1) Fig. 1).
2. Automatic computation of additional mappings between classes, the
mappings and the linked classes being added in the being built model
(cf. (2) Fig. 1).
Starting from the mappings between classes specified by the AH creator,
other mappings can be automatically deduced. We propose to adopt a pattern-based approach to achieve this deduction. Pattern-based approaches
for mapping identification across models assume that structural regularities always characterize the same kind of relations. The idea is to deduce
the nature of the relation R between a class of the specific model and a
class of the generic model
3. Automatic computation of mappings between elements different from
classes. Checking consistency of the new model created by the merging
process (cf. (3) Fig. 1).
Recherche Research
To do so, our system uses structural knowledge applicable to whatever the
model is (user or domain model). As models are expressed in OWL, structural knowledge has been modelled in a meta-model based on the OWL
meta-model. Inferences on knowledge modelled in the meta-model are performed using SWRL rules.
4. Validation by the AH creator of the deductions made by the system in
step 3. (cf. (4) Fig. 1).
Figure 1: The diagram of the architecture of our assistant system
Related Works
There are several approaches for performing a semantic integration
depending on the degree of integration usually referred to as ontology
mapping, aligning or merging. These approaches are based either on instances of the two given ontologies that are to be mapped (bottom-up) or on
concepts (top-down). None of them have been used to merge abstract
models with specialized ones. Here, we focus on this specific point. The
models to be merged are relatively small. The merging process is performed once at the design time. Generic models are composed of abstract
classes which have no instances. The designer of the system knows the
models to be integrated in the system very well and can then provide
simple correspondences between their elements.
Conclusions
We have proposed a solution enabling the user to create an adaptive
hypermedia with the GLAM system re-using his own models and consequently his own resources and their metadata. Furthermore, this approach is generic and consequently usable whatever the application domain is.
We have implemented it as a Protégé plug-in (MESAM) and made some
experiments.
This work has been done in collaboration with Chantal Reynaud
(Université Paris-Sud XI, CNRS (LRI) & INRIA - Saclay Ile-de-France /
Projet Gemo).
References
[1] Jacquiot, C., Bourda, Y,. Popineau, F., Delteil, A., Reynaud.
C.: GLAM: A generic layered adaptation model for adaptive hypermedia systems. In: 4th International AH2006, Springer, pp. 131-140.
Springer, Heidelberg, Allemagne (2006).
[2] Zemirline N., Reynaud C., Bourda Y., Popineau F.: A Pattern and
Rule-Based Approach for Reusing Adaptive Hypermedia Creator's
Models. In: 16th EKAW, PP. 17-31, Springer, Catania, Italy (2008).
2009 / 2011
49
3.
3.5
Systèmes situés
Situated Systems
L'approche située du traitement de l'information vise à développer des
machines autonomes capables d'évoluer dans des environnements naturels
et donc hautement non-stationnaires (du fait de la présence d'humains par
exemple) et possédant des facultés d'adaptation. En particulier, l'approche
située de la perception considère la captation (ou la perception), l'analyse
(ou le raisonnement) et la décision (ou l'action, le comportement) comme différentes modalités d'un même processus visant à l'accomplissement d'une
tâche dans un environnement. La perception n'est alors plus considérée
comme passive comme dans les approches ascendantes classiques ou les
informations sont traitées de manière hiérarchisée, mais plutôt comme faisant partie d'une démarche active, par interaction, visant la découverte d'informations pertinentes pour la tâche à laquelle le système est dévolu. C'est
donc la tâche et l'interaction avec l'environnement qui pilotent l'extraction
d'information et pas uniquement une connaissance a priori du concepteur,
ce qui confère aux machines adaptabilité et autonomie.
The situated approach to information processing aims at developing autonomous machines able to evolve in natural environments and so highly
non-stationary (because of the presence of humans, for instance) and showing adaptation capabilities. Especially, the situated approach to perception considers sensing (or perception), analysis (or reasoning)and decision
(or action, behavior) as different modalities of a same process which goal is
the achievement of a task in a given environment. Perception is not considered anymore as passive as in standard approaches where information is
processed in a hierarchical manner. It is regarded as being an active
process happening through interaction with the environment so as to
collect relevant information regarding the application at seek. Information
extraction is therefore driven by the task and interactions with the environment and not only according to designer's knowledge and expertise.
This makes machines adaptive and more autonomous.
...........................................................................
...........................................................................
Sujets
Topics
1. Environnements intelligents
Les moyens de captation et de traitement d'information peuvent maintenant être enfouis dans les objets du quotidien et dans nos environnements (domicile, bureau, voiture). Ces moyens peuvent être utilisés
pour améliorer la qualité de vie de tout un chacun mais peuvent aussi
permettre le maintien à domicile de personnes dépendantes ou en
situation de handicap. Néanmoins, c'est l'humain qui doit être au centre
des développements technologiques et c'est pour cette raison que l'adaptation doit être intrinsèque aux méthodes développées dans ce cadre.
1. Smart Environments
Sensors and information processing units can now be embedded into
day-to-day life objects as well as in our environments (home, office, cars).
Those means can be used to enhance the quality of life for each of us but
can also enable elderly, impaired or dependent persons to stay longer at
home. However, the human has to be at the centre technological developments. This is why adaptation should be at the heart of the methods
developed in this framework.
2. Robotique cognitive
L'approche située ne peut se concevoir que s'il y a interaction physique
entre les machines et le monde. La robotique est un des meilleurs
moyens d'ancrer l'intelligence dans le monde réel et en devient une
application privilégiée de l'approche située.
3. Interfaces homme-machine
L'interaction est au cœur de l'approche présentée et la nécessité d'adaptation autonome qui est recherchée est souvent créée par la présence
d'humains dans l'environnement des machines. Les interfaces entre
machines et humains peuvent prendre plusieurs formes comme les
interfaces vocales, multimodales ou cerveau-machine.
4. Modèles d'inspiration biologique
Des méthodes d'apprentissage d'inspiration biologique sont mises au
point comme la modélisation corticale ou l'apprentissage par renforcement.
2. Cognitive Robotics
The situated approach can only be envisioned if physical interactions
between machines and the real world happen. Robotics is one of the best
means to anchor intelligence in the real world. It therefore becomes a
privileged application of the situated approach.
3. Human-Machine Interaction
Interaction is at the heart of the situated approach and the necessity of
autonomous adaptation is often created because of the presence of
humans in the machines environment. Interfaces between man and
machines can be of several types such as voice-based, multimodal or
brain-machine interfaces.
4. Bio-inspired models
Artificial learning methods inspired from biology are under focus such
as cortical modeling and reinforcement learning.
Olivier PIETQUIN
Hervé FREZZA-BUET
Équipe IMS
Campus de Metz
Tél. : 33 (0) 3 87 76 47 70
Équipe IMS
Campus de Metz
Tél. : 33 (0) 3 87 76 47 35
50
3.5 Systèmes situés
Situated Systems
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Dynamic neural fields
Champs neuronaux dynamiques
Hervé Frezza - Buet
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Résumé
Les champs neuronaux dynamiques sont une population d'unités de calcul qui modélisent la surface corticale. Les connexions
forment une topologie 2D qui sert de base aux compétitions au sein de cette population. Les calculs unitaires sont décrits par
une équation différentielle en espace et en temps, faisant de l'ensemble de la population un système dynamique complexe.
La population répond à un profile de stimulation en contrastant ce profil, le ramenant à quelques activités isolées. Cette
opération est utilisée comme processus de décision dans nos systèmes situés, pouvant réduire l'information tout en restant
fortement lié à l'évolution des entrées.
An equation for competition
Dynamic neural fields are defined by a population of computation al units,
referenced in a continuous space X of positions (usually 1D or 2D). At each
position x in X, a unit is fed with an input i(x) and computes u(x) as an output. This output is driven by a differential equation, as the one presented
hereafter, proposed by Amari [1]. Lateral coupling weigh tkernel w is usually a difference of Gaussians.
ded for cluster simulation in the framework of InterCell, allowing us to
address large scale problems. Moreover, as reinforcement learning is also
investigated, new equations for dynamic neural fields have also been proposed [4].
Once discretized according to both space and time, the equation is the activation rule of a cellular automata, which is a discrete dynamical system.
This system continuously evolves toward some equilibrium configuration. If
parameters are chosen in a suitable way, the u(x) distribution at equilibrium
is made of sparse bumps of activity, placed where the input distribution i(x)
is the most compact. If i(x) represents the result of some filtering process
centered at x, the field activity consists of selecting over the field X the few
places where the filtering process is the mostly responding (cf. figure 1).
Figure 2: Multimodal architecture based on 4 neural fields. Each field deals
with a specific modality, or is at the intersection of some other fields, to
handle multimodal computation. Each field is also performing competition,
and all competitive processes are coupled through inter-field connections.
Once learning is achieved, filters are tuned so that related ones stand
actually connected places.
Conclusion
Figure 1: Neural field (here a disk). The light surface represents i(x) and
the darker one represents u(x), that is the distributed decision computed by
the field. Such a decision process is the basis for the situated decision
mechanisms investigated in our team.
Dynamic neural fields can be used to set up a decision process without
requiring the designer to make any rule explicit. This is coherent with our
main goal to propose new algorithms for situated perception. Such mechanisms are inspired from the dynamics of cortical computation, as described
in biology. Indeed, the cortex in mammals is one of the major adaptive structures for setting up multimodal behaviors.
This selection can be viewed as a robust reduction mechanism, reducing
information according to a population compromise rather than an arbitrary
threshold. This allows us to consider decisions, that usually belong to the
symbolic domain due to their binary nature, as processes that are kept
grounded in the analogical real world. This grounding ensures that the decision is permanently recomputed as input profile changes.
Multimodal self organization
References
On the basis of such a decision process, we have set up an unsupervised
learning technique, close to Kohonen’s Self-Organizing Maps (SOM). As
opposed to SOMs, one advantage here is that the learning process can be
parallelized since competition is distributed. This has allowed the implementation on our PC cluster (InterCell project [2]). From this learning
module, a multimodal adaptive architecture as been defined [3] allowing to
built controllers. It is made of initially undifferentiated elements (the
fields), that become more and more specialized as the system interacts with
its environment to actually achieve the control. Handling such complex
dynamical systems requires analysis and visualizing tools, that are provi-
Recherche Research
[1] S-I Amari, Biological Cybernetics, 27:77–87, 1977
[2] http://intercell.metz.supelec.fr
[3] O. Ménard, H. Frezza-Buet, "Model of multi-modal cortical processing:
Coherent learning in self-organizing modules". In Neural Networks,
18(5-6):646-655, 2005
[4] L. Alecu, H. Frezza-Buet, "Reconciling neural fields to selforganization". In ESANN’09, 2009.
2009 / 2011
51
3.
3.6
Systèmes distribués et grilles de calculs
Distributed Systems and Computing grids
Les architectures multi-cœurs sont devenues courantes et progressent
rapidement, les clusters sont également devenus des moyens de calcul très
répandus. D'autre part, la France a récemment intensifié sa stratégie
d'équipement en supercalculateurs et l'Europe dispose maintenant de
grilles de calculs scientifiques opérationnelles. Toutes ces architectures
parallèles et distribuées requièrent des algorithmes et des paradigmes de
programmation différents, mais se retrouvent aujourd'hui combinées dans
des « machines hétérogènes », comme des clusters de machines multicœurs, ou des supercalculateurs équipés d'accélérateurs matériels. Nos
recherches visent à concevoir des algorithmes et des environnements de
développements pour des architectures hétérogènes à large échelle. Cette
démarche inclut la conception de mécanismes de tolérance aux pannes,
problème incontournable dans les systèmes parallèles à large échelle.
Nous concevons également des architectures de services distribués permettant de profiter pleinement et facilement de ressources informatiques
réparties sur plusieurs sites. Enfin, nous analysons autant les performances calculatoires qu'énergétiques de nos systèmes distribués.
Multi-core architectures are available and improving, and clusters are now
well known architectures installed in many laboratories and companies.
Moreover, today France purchases more supercomputers and Europe has
operational scientific computing Grids. These architectures requires different parallel programming strategies, and are now mixed in “heterogeneous machines”, like clusters of multi-core nodes, or supercomputers with
hardware accelerators. We aim to design algorithms and development environments for large scale heterogeneous architectures. This approach
includes the design of fault tolerance mechanisms, as failures are unavoidable on large scale systems.
We also design service oriented architectures, in order to easily use computing resources distributed on different sites. Finally, we study both computing and energetic performances of all our parallel and distributed systems.
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Sujets
Topics
1. Distribution de calculs de contrôle stochastique en grande
dimension
Nous avons distribué sur clusters de PCs et sur supercalculateurs IBM
Blue Gene (32000 cœurs) des calculs de contrôle stochastique en grande dimension, appliqués à l'optimisation de problèmes de gestion de
production d'énergie.
1. Parallelization and distribution of large scale stochastic
control computations
We have distributed large scale stochastic control computations on large
PC clusters and IBM Blue Gene supercomputers (32000 cores), to solve
some optimisation problems of energy production management.
2. Distribution de calculs financiers sur clusters de GPUs
Les clusters de PC équipés d'accélérateurs matériels, comme les GPUs,
permettent d'atteindre de hautes performances avec une faible consommation énergétique, mais nécessitent de concevoir des algorithmes
parallèles complexes. Nous l'avons fait avec succès pour des pricings
d'options européennes exotiques.
3. Mécanisme de tolérance aux pannes pour des applications sur
cluster de PCs
Conception d'un modèle et d'un mécanisme de tolérance aux pannes au
niveau applicatif, suivant des patrons de conception simples à utiliser
et limitant les surcoûts d'exécution.
2. Distribution of financial computations on GPU clusters
PC clusters with GPU (on each node) achieve high performances with
low energy consumption, but they require very complex parallel algorithms. We succeeded to do it for some exotic european option pricing.
3. Fault tolerance mechanisms for applications running on PC
clusters
Design fault tolerance model and mechanisms, to use at application level
accordingly to design patterns, and exhibiting very limited overheads.
Stéphane VIALLE
Virginie GALTIER
Équipe IMS
Campus de Metz
Tél. : 33 (0) 3 87 76 47 20
Équipe IMS
Campus de Metz
Tél. : 33 (0) 3 87 76 47 36
52
3.6 Systèmes distribués et grilles de calculs
Distributed Systems and computing grids
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Algorithmes multi-paradigmes pour des clusters de CPU et GPU multi-coeurs
Multi-paradigm algorithms for multi-core CPU and GPU clusters
Stéphane Vialle
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Résumé
Les architectures parallèles modernes sont hétérogènes, comme des clusters de CPUs multicoeurs ou de GPUs. Ce type
d'architecture peut atteindre des performances très élevées, mais nécessite des parallélisations complexes multi-grains et
multiparadigmes. Les principaux défis à relever consistent à concevoir des algorithmes multi-paradigmes efficaces et des
environnements de développement de haut niveau, et à maîtriser la consommation énergétique de ces architectures.
Multi-paradigm programming of heterogeneous
architectures
PC cluster are cheap to purchase, and today they are automatically multicore PC clusters. Moreover it is easy to add a GPU card in each PC to get a
GPU cluster, i.e: a PC cluster with “hardware accelerator” inside each node.
However, this kind of heterogeneous architectures remain difficult to program. Their programming includes two level of parallelism, with different
grains.
The first level is “coarse grained” and aims to distribute computations across
the nodes, while minimizing inter-node communications and achieving these
communications in parallel of the computations (overlapping computations
and communications). The programming paradigm of this parallelism level
is message passing, and the MPI library is the most common development
tool for this paradigm. The second level of parallelism is “medium grained”
and exploits the cores of a node. Its natural programming paradigm is memory sharing, and the most common associated programming tools are multithread libraries. They can be explicit multithread libraries, like POSIX
threads, or they can supply a higher level of multithreading, like OpenMP
based on pre-processing directives, or like Intel-TBB based on C++ templates. Finally, a third level of parallelism is “fine grained” and exploits
SIMD computing units of GPUs, or SSE units of CPUs. Its programming
paradigm is data parallelism, running a same operation flow on a vector of
data. Standard are emerging, but currently programs for hardware accelerators are not portable. Beyond these three levels of parallelism it exist a “very
coarse grained” level when using a multisite Grid of computing resources,
interconnected through Wide Area Networks. The associated programming
paradigm remains the Remote Procedure Call or the message passing, with
asynchronous calls in order to hide the long communication times.
For heterogeneous architectures, we need to exploit simultaneously different grains of parallelism: to design multi-grain parallel algorithms and to
use different parallel programming paradigms. From a pure technical point
of view, it is possible to use both message passing with MPI, and multithreading with OpenMP or data-parallelism of GPUs with CUDA. But the
design of efficient multi-paradigm algorithms remains complex. We lack of
algorithmic knowledge, and we lack of adapted high level development environment to reduce development times.
The parallelization of an exotic european option pricer on a GPU cluster
appeared to be symmetric to the previously described parallelization of
energy management optimizations. The coarse grained parallelization on a
PC cluster has been straightforward to develop, leading to an embarrassingly parallel implementation. It does not require inter-node communications,
excepted at the beginning and at the end of the application, in order to distribute data and to collect results. But the fine grained parallelization on
GPU has required strong development efforts to be efficient. When calling
GPU routines from a CPU routine, the most time consuming operations can
be the data transfers between CPU and GPU memories. It is advised to
transfer data onto the GPU card and to run the maximum number of operations before to transfer back results onto the CPU. In the case of the exotic european option pricing we have implemented several random number
generators on the GPU, in order to run all computations on the GPU and to
get uncorrelated random number suites. Finally, the parallelization on a 16
GPU cluster appeared 2.8 times faster than the parallelization on a 256
dual-core CPU cluster, and has consumed 28 times less energy! The product
of the speedup and the energy saving showed it was 80 times more interesting to use our 16 GPU cluster instead of our 256 dual-core CPU cluster [2].
Perspectives
We are currently designing an algorithmic and a programming knowledge
on heterogeneous architectures. However, we consider it is mandatory to
design some modern development environments, adapted to these architectures and hiding the exact node features. Some of our research works, achieved in collaboration with INRIA and with EDF R&D, address this issue.
Acknowledgment
The author wants to thank EDF for supporting this research.
Algorithmic development examples
Recently we have designed two multi-paradigm parallel applications: an
optimization of energy management, designed with EDF company on a
multi-core CPU cluster and on a supercomputer, and exotic european option
pricing, designed with ENPC and CERMICS laboratories on a GPU cluster.
The application of the optimization of the energy management uses complex
stochastic control algorithms. Their distribution on coarse grained architectures requires redistributing data and computations at each iteration.
Moreover, the communication scheme depends on previous computed values
and computing nodes have to compute and to establish their routage plan
at each iteration before to execute it. On each node, a second and medium
grained parallelization allows to easily spread the local computations on the
different cores of each CPU. Finally, despite many parallelism management
operations and their associated overheads, our parallel algorithm and
implementation (using MPI and OpenMP) have been efficient on a 256 dualcore PC cluster and on an IBM BlueGene/P with up to 8192 quad-core nodes
(more than 32000 cores) [1]. An implementation on a GPU cluster is
ongoing.
Recherche Research
References
[1] S-P. Vezolle, S.Vialle and X. Warin. Large Scale Experiment and
Optimization of a Distributed Stochastic Control Algorithm. Application
to Energy Management Problems. Workshop on Large-Scale Parallel
Processing (LSPP 2009). 2009.
[2] L.A. Abbas-Turki, S. Vialle, B. Lapeyre and P. Mercier. High
Dimensional Pricing of Exotic European Contracts on a GPU Cluster, and
Comparison to a CPU Cluster. Second Workshop on Parallel and
Distributed Computing in Finance (PDCoF 2009). 2009.
2009 / 2011
53
3.
3.7
Performance de systèmes
System performance
Notre objectif consiste à étudier un système de sa définition fonctionnelle
à la proposition de solutions validées avec des performances évaluées.
Nous nous intéressons donc : 1) au choix et à la validation de modèles calculables qui tiennent compte de tous les éléments pertinents du système,
2) à la définition formelle du problème étudié dans ce modèle et au calcul
de sa complexité algorithmique, 3) à la proposition de solutions algorithmiques, centralisées ou distribuées selon les cas, notamment des solutions
heuristiques dans le cas où le problème s'avère NP-complet, 4) à la validation de l'efficacité de ces algorithmes en termes de temps d'exécution et
de qualité par leur introduction dans le modèle déjà construit et 5) à la
résolution ce modèle modifié afin de décider si les heuristiques proposées
ont un impact positif sur l'efficacité du système.
Pour pouvoir valider l'efficacité de nos solutions heuristiques, nous utilisons différents concepts et outils comme la théorie des files d'attente. Il
existe un éventail de méthodes analytiques et empiriques (simulations)
qui, en trouvant la solution du modèle, donnent des informations sur l'efficacité du système.
We study a system starting from its functional definition up to proposed
solutions which are validated by evaluation of the system performance. We
are interested in: 1) choice and validation of calculable models taking into
account pertinent elements of the system, 2) formal definition of a studied
system within the given model with its complexity computation, 3) proposition of algorithmic solutions (centralised or distributed), notably heuristic ones in the case of the NP-complete problem treatment, 4) validation of
performance of these algorithms in terms of execution time and quality by
their introduction into models which have been already constructed, and 5)
resolution of the modified model in order to decide whether the proposed
heuristic algorithms have a positive impact upon the system performance.
To answer these questions, we use different concepts and tools such as the
queueing theory. There is a wide range of analytic methods (Markov chains)
and empirical ones (simulations) which, by finding the solution to the
model, offer information about the system performance.
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...........................................................................
Sujets
Topics
1. Algorithmes distribués pour le routage multi-contraint satisfaisant la qualité de service dans un réseau inter-domaine
Algorithmes de réservation multi-contraintes dans un environnement
BGP. Algorithmes de détection de congestion dans ce réseau. Validation
par simulation.
1. Distributed algorithms for multi-constraint routing
satisfying Quality of Service in an inter-domain network
Algorithms for multi-constraint reservation in a BGP environment.
Algorithms for congestion detection in the same environment.
Validation by simulation.
2. Méthodes décompositionnelles pour les files d'attente
Matrices de Markov. Réseaux d'automates stochastiques. Algèbre de
processus pour l'évaluation de performances.
2. Decompositional methods for queueing models
Construction of Markov matrices. Stochastic automata networks.
Performance evaluation process algebra.
3. Complexité et approximabilité de problèmes
Traitement de problèmes NP-complets. Problèmes de Steiner. Preuves
d'inapproximabilité.
3. Problems complexity and approximability
Treatement of NP-complete problems. Steiner problems.
Inapproximability proofs.
4. Performance et QoS des services IP multimedia dans les
réseaux sans fil
UMTS, HSDPA, WiMAX, interaction entre TCP et lien sans fil, algorithmes d'ordonnancement, analyse du trafic dans des réseaux wireless
(QoS, délai, gigue).
4. Performance and QoS of IP multimedia services
in wireless networks
UMTS, HSDPA, WiMAX, interaction between TCP and wireless link,
scheduling study, streaming traffic analysis in wireless systems
(QoS, delay, jitter).
Joanna TOMASIK
Mohamad ASSAAD
Sujets 1 à 3 / Topics 1 to 3
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 14 79
Sujet 4 / Topic 4
Département Télécommunications
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 14 43
54
3.7 Performance de systèmes
System performance
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Exploiting the inter-domain hierarchy for the QoS routing
Exploitation de la hiérarchie inter-domaine pour le routage avec QoS
Joanna Tomasik
Marc-Antoine Weisser
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Résumé
Le routage inter-domaine dans l'Internet est assuré par le protocole BGP qui garantit à chaque domaine l'indépendance des
choix et des annonces des routes. Ce mécanisme seul ne permet pas la satisfaction de QoS et l'ingénierie de trafic. Pour
pallier ces manques, nos travaux dans le réseau inter-domaine nous ont amené à exploiter la hiérarchie introduite par les
relations commerciales existantes entre les domaines. Nous proposons un mécanisme envoyant des messages d'alerte pour
communiquer l'état de congestion d'un domaine uniquement à chaque domaine concerné. Notre solution limite le nombre
d'alertes envoyées grâce à la structure hiérarchique de l'Internet. Notre heuristique est distribuée et traite un problème
NP-complet et inapproximable. Pour pouvoir valider notre mécanisme d'envoi d'alertes pour signaler la congestion possible,
nous avons proposé un générateur de topologies aléatoires avec hiérarchie SHIIP (Supélec Hierarchy Inter-domain Inducting
Program).
Hierarchy of inter-domain network
Performance evaluation
An inter-domain network is composed of independent domains administrated by operators. Links connecting domains are characterized by two types
of relationships: P2C and P2P. A P2C relationship links providers which sell
connectivity to their customers. A P2P relationship exists between two
domains which share connectivity. The inter-domain hierarchy has an
impact on the current inter-domain routing because routes are established
according to commercial relationships. The only routes present in an interdomain network are composed of an uphill and a downhill component. A
downhill component is a list of consecutive links labeled with a P2C relationship. An uphill component is a list of consecutive links labeled with a
C2P relationship which is dual to a P2C. The uphill and downhill components are connected either by zero or by one P2P relationship. Such routes
are called valley-free.
We used our generator of hierarchical topologies SHIIP (Supélec
Hierarchical Inter-domain Inferring Program) [1], available at
http://wwwsi.supelec.fr/~weisser/fr/shiip.html) to obtain network for experiences. We also choose the capacities in generated topologies to study networks which are not over-dimensioned. On the Internet, the largest
domains with the largest capacities are at the top of the hierarchy. Domains
with smaller capacities are at the bottom of the hierarchy. We suppose that
the domains in the core are never perturbed. The first performance measure is obviously the number of perturbed nodes because it is also the optimization criterion for our algorithm. The second one is the number of perturbed paths and the third one is the amount of perturbed traffic. These three
measures are essential for the comparison of performance results of our distributed algorithm with the results of BGP and the lowest theoretical
bound. In Figure 1 we present the gain in perturbed node/path number
obtained with our algorithm comparing to BGP routing [2].
Problem modeling
Given a network, a traffic matrix and a routing matrix, we say that a node
is perturbed if the total amount of traffic transiting through it, emitted by
it, and sending to it is greater than its capacity. A perturbed path is a path
containing at least one perturbed node. Given a network and a traffic
matrix, our problem is to find a valley-free routing matrix which minimizes
1) the number of perturbed nodes (network approach); 2) the volume of the
traffic passing along perturbed paths (traffic approach). We focus on the network approach only because we assume that minimizing the number of perturbed nodes may be a good heuristic approach to minimize the number of
perturbed paths as well as the volume of perturbed traffic. In [2] we have
proved that this problem is NP-complete and inapproximable. The proof
consists to reduce the directed Steiner tree problem to our problem.
Alert sending algorithm
Our distributed algorithm is based upon the principle of sending alert messages which carry information about the domain congestion state. Each
node informs its clients when it becomes perturbed in order to allow them
to change their routing. Each node also keeps its neighbors informed when
it returns to an operational state. We limit the range of their diffusion by
taking advantage of the inter-domain hierarchy. Each node contains a list of
possible next hops towards every destination. These lists are constructed
with routes announced by BGP. Their construction guarantees that all next
hops satisfy the valley-free property of routes. Each node can be in either of
two distinct states: green or red. A node state is red if at least one of the two
following conditions is satisfied: 1) the amount of traffic transiting through
the node, sending from it and sending to it, is greater than its capacity; 2)
at least one of its next hops which is a provider is in red state. A node cannot become red because of its customer and peer congestion. Because of this
fact, our algorithm avoids the spreading of red nodes in the entire network
when a single node becomes red. We use the hierarchy to limit the number
of nodes in red state as well as the messages sent: a node which has a customer or a peer in red state as a next hop should not be in red state itself.
The node which is not in red state is in green state. The green state is a
domain stable state.
Figure 1: The number of perturbed nodes and paths averaged
for a simulation run series, network of 100 nodes and heavy traffic.
References
[1] M.-A. Weisser, J. Tomasik, “Automatic Induction of Inter-Domain
Hierarchy in Randomly Generated Network Topologies”, 10th ACM/SIGSIM CNS'07, pp. 77-84, Norfolk, VA, USA, 26-28 March 2007.
[2] M.-A. Weisser, J. Tomasik, D. Barth, “Congestion avoiding mechanism
based on inter-domain hierarchy”, IFIP Networking 2008, LNCS 4982,
pp. 470-481, Singapore, 5-9 May 2008.
Recherche Research
2009 / 2011
55
56
4. TÉLÉCOMMUNICATIONS
TELECOMMUNICATIONS
4
57
4.
TELECOMMUNICATIONS
4.1
Communications numériques
Digital Communications
Dans les systèmes de communications numériques actuels, un problème
important est de pouvoir transmettre un message sans erreur et sécurisé
avec des ressources limitées. En raison de variations des caractéristiques
temporelles/fréquentielles/spatiales des utilisateurs, le medium sans fils
offre divers degrés de liberté à exploiter bien que cela puisse induire des
erreurs et une connaissance imparfaite du canal à l’émetteur et/ou au
récepteur. De plus, dans les futurs réseaux sans fils, la qualité de service
(en termes de sécurité, taux d'erreur) doit être assurée. Dans cette
optique, deux approches se présentent :
La première consiste à améliorer la qualité de la transmission point à
point en offrant de la diversité et en ajustant correctement les paramètres
du récepteur. Le développement de codes espace-temps permet d'améliorer
la diversité tandis que l'égalisation, l'estimation, le traitement non-linéaire permettent d'optimiser le récepteur.
La seconde approche consiste à exploiter de manière opportuniste les
degrés de liberté du canal, en fonction de la connaissance à l'émission. Les
exemples pratiques concernent le canal à interférence, le network MIMO
ainsi que les canaux broadcast avec des messages confidentiels.
In practical digital communication systems, a major challenge consists in
dealing with the underlying wireless medium under a limited resource.
Due to its variation in time/frequency/spatial/user domains, the wireless
medium potentially offers various degrees of freedom to exploit, although it
might induce errors, imperfect knowledge at transmitter or/and receiver.
Moreover, in future secured wireless communication systems, one needs to
ensure reliable transmission while satisfying an additional secrecy
constraint. To handle these situations, there are roughly two approaches:
A classical approach aims to either improve the reliability of a point-topoint wireless link by offering some diversity or to detect unknown parameters by appropriately designing receivers. A design of practical spacetime code focuses on the former aspect, while the channel equalization, estimation, non-linearity processing, fall into the latter aspect.
A more opportunistic approach consists of exploiting available degrees of
freedom of the channel together with some side information. The examples
of such approach include interference channels, capacity with side information, network multiple-input multiple-output (MIMO), and broadcast
channels with confidential messages.
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...........................................................................
Sujets
Topics
1. Techniques de réception
Egalisation (méthode aveugle pour les systèmes IFDMA).
Estimation du canal en présence de forte mobilité.
Détection multiutilisateurs.
1. Receiver Techniques
Channel equalization (e.g. blind equalization for IFDMA systems).
Channel estimation in the presence of high mobility.
Multiuser detection.
2. Diversité et codage canal
Codes espace-temps à décodage rapide.
Optimisation de la redondance en codage canal.
Codage canal pour réseaux coopératifs.
2. Diversity and Channel Coding
Space-time codes with fast maximum-likelihood decoding.
Redundancy optimization in channel coding.
Channel coding for cooperative networks.
3. Communications sécurisées
Canaux broadcast avec messages confidentiels.
Connaissance du canal imparfaite à l'émission.
Codage structuré pour communications sécurisées.
3. Physical Layer Security
Broadcast channels with confidential messages.
Imperfect channel state information at transmitter.
Structured coding for secured communications.
4. Applications de la théorie de l'information
Canaux à interférence.
Réseaux MIMO.
Interprétation des algorithmes itératifs.
Capacité avec information adjacente.
4. Applications of Information Theory
Interference channels.
Network MIMO.
Interpretation of iterative algorithms.
Capacity with side information.
5. Traitement des nonlinéarités
Réduction de la puissance crête des signaux OFDM(A).
Réduction des non linéarités par turbo annulation.
Applications dans des contextes variés (DVB-T2, SWR, DRM, WLAN).
5. Processing of Nonlinearities
Peak-to-average power ratio (PAPR) reduction of OFDM(A) signals.
Non linearity mitigation with turbo cancellation.
Applied to DVB-T2, SWR, DRM, WLAN contexts.
Pierre DUHAMEL
Hikmet SARI
Daniel LE GUENNEC
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 17 16
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 14 31
Équipe SCEE - IETR
Campus de Rennes
Tél. : 33 (0) 2 99 84 45 45
58
4.1 Communications numériques
Digital communications
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Communications sécurisées sur les canaux sélectifs en fréquence
Secured communications over frequency selective fading channels
Mari Kobayashi
Mérouane Debbah
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Abstract
We consider the secured communication over frequency-selective fading channels. In particular, we focus on the broadcast
channel where a transmitter sends a confidential message to its receiver which must be kept secret to the eavesdropper.
For the case of a block transmission followed by a cyclic prefix, the model at hand reduces to a special case of multiple-input
multiple-output (MIMO) wiretap channel whose secrecy capacity has been proved in [3,4.]. We propose a practical yet
order-optimal Vandermonde precoder that consists of projecting the confidential messages in the null space of the channel seen
by the eavesdropper. The proposed scheme can be applied to other multiuser communication scenarios.
Position du problème
Nous considérons la communication sécurisée où un émetteur transmet un
message confidentiel destiné à son récepteur tout en le gardant secret vis à
vis d'un écouteur. Wyner a introduit ''wiretap channel'' pour modéliser un
canal broadcast dégradé où l'écouteur observe une version dégradée d'un
signal reçu au récepteur [1]. Csiszár et Körner ont ensuite généralisé ce
modèle pour le cas non-dégradé avec un message commun [2]. Du fait
qu'une capacité secrète positive est atteignable si, et seulement si, la qualité du récepteur est meilleure que celle de l'écouteur, ces travaux n'avaient
pas attiré beaucoup d'attention. Récemment, un nombre significatif de travaux ont été consacrés à ce problème afin d'exploiter les degrés de liberté
dans le domaine spatial/fréquentiel/temporel. L'idée principale consiste à
cacher l'information confidentielle d'une manière opportuniste. En particulier, la capacité secrète du multiple-input multiple-output (MIMO) wiretap
channel a été complètement caractérisée par [3] puis son expression analytique a été trouvée par [4].
schémas permettent d'augmenter le taux secret à l'ordre de 1/5 log(SNR)
en envoyant le message confidentiel sur 16 canaux.
Contributions
Pour un canal avec L+1 trajets, nous avons considéré la transmission par
bloc (N symboles) sur les canaux sélectifs en fréquence suivi d'un intervalle de garde (L symboles) pour éviter l'interférence entre les blocs. Ce
type de transmission est typiquement utilisé dans les standards tels que
IEEE802.11a ou WiMax. Supposant que les deux récepteurs ont la même
structure qui est non-modifiable, le canal en question devient un cas spécial du MIMO wiretap channel où la matrice MIMO a une structure de
Toeplitz. Sous ces hypothèses, nous avons proposé un schéma de précodage dénommé ''Vandermonde precoder''. Notre schéma proposé s'inspire de
la stratégie optimale pour le MIMO wiretap channel qui projette le message confidentiel dans un noyau du canal de l'écouteur dans le cas d'un
fort rapport signal au bruit (SNR). Pour le cas spécial d'une matrice de
Toeplitz de taille N * (N+L) avec N lignes indépendantes, il existe une
matrice de Vandermonde de taille (N+L) * L, composée des L zéros du
canal, qui permet de cacher l'information confidentielle. Pour ce schéma
proposé, nous avons caractérisé :
• la région de taux atteignables (R_0, R_c) où R_0, R_c représentent respectivement le taux de message commun et message confidentiel ;
• les covariances optimales qui atteignent la région pour certains cas spéciaux ;
• le comportement de la région à fort SNR.
L'intérêt majeur de ce schéma réside dans les aspects suivants :
• il permet de transmettre L symboles confidentiels sans interférer avec
les N symboles simultanément sur un bloc de N+L symboles ;
• il est applicable à n'importe quelle technique de codage de canal classique et garantit la sécurité parfaite. Ce dernier comporte un avantage
par rapport à la méthode conventionnelle nécessitant un codage très
complexe (random binning) ;
• il est également applicable aux autres scénarios de communication
secrète (voir plus de détails [5]).
Pour des raisons évidentes de manque d'espace, nous ne donnons ici qu'un
seul exemple de résultat.
Un exemple de résultats (5)
La figure 1 représente le taux secret atteignable par Vandermonde precoding avec et sans contrôle de puissance en fonction du SNR pour N=64,
L=16. Comme référence, nous montrons aussi la performance du « generalized SVD » proposé dans [1]. Nous voyons, par exemple, que les deux
Recherche Research
Figure 1 : Taux secret de Vandermonde precodin
Figure 1: Taux secret de Vandermonde precoding
Références
[1] A. D Wyner, “The Wiretap Channel,” Bell. Syst. Tech. J., vol. 54,
1975.
[2] I. Csiszár and J. Körner, “Broadcast Channels with Confidential
Messages,” IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 24, 1978.
[3] A. Khisti, G. Wornell, A. Wiesel, and Y. Eldar, “On the Gaussian
MIMO wiretap channel,” Proc. ISIT'07, Nice, France.
[4] R. Bustin, R.Liu, H. Vincent Poor, and S. Shamai (Shitz), “An
MMSE Approach to the Secrecy Capacity of the MIMO Gaussian
Wiretap Channel,” to appear in EURASIP, special issue on Wireless
Physical Security, 2009.
[5] M. Kobayashi, M. Debbah and Shlomo Shamai (Shitz), “On the
secrecy capacity of frequency-selective fading channels : A practical
Vandermonde precoding,” to appear in EURASIP, special issue on
Wireless Physical Security, 2009.
2009 / 2011
59
4.
TELECOMMUNICATIONS
4.2
Systèmes de radiocommunications
Wireless Communications Systems
Les systèmes de radiocommunications connaissent une évolution extrêmement rapide depuis le début des années 1990. Les réseaux de troisième
génération sont maintenant en place, les systèmes WiMAX mobile ont
récemment fait leur apparition et les systèmes de quatrième génération
(IEEE 802.16m et LTE Advanced) sont dans une phase de spécification.
Les systèmes de quatrième génération font face à des défis technologiques
considérables : non seulement, il faut augmenter la capacité des cellules
par des techniques MIMO et d’autres fonctions sophistiquées, mais il faut
aussi fournir un service à des utilisateurs avec une forte mobilité.
Les travaux de recherche abordent l’optimisation de la couche physique,
mais aussi l’allocation des ressources radio par une optimisation intercouches.
Wireless Communications Systems are an area, which has been experiencing an extremely rapid development since the beginning of the 1990s.
Third generation networks are now well in place, mobile WiMAX systems
have been recently developed and deployed, and forth-generation networks
(WiMAX evolutions based on IEEE 802.16m as well as LTE Advanced) are
in the specification phase.
Fourth-generation systems are facing considerable technological challenges: Not only the cell capacity and performance must be substantially
increased by sophisticated MIMO techniques and other physical layer functions, but also service must be provided to users with very high mobility.
Research topics in wireless communications systems include optimization
of physical layer functions, adaptive radio resource allocation, and crosslayer design.
...........................................................................
...........................................................................
Sujets
Topics
1. Fonctionnement et surveillance des réseaux électriques
Techniques de transmission et d’accès multiple pour la voie montante
du système LTE.
Multiplexage spatial de signaux MIMO en polarisation croisée pour
applications WiMAX mobile et LTE Advanced.
Optimisation des ressources radio dans les systèmes WiMAX/LTE
pour différents types de trafic.
Conception de la couche MAC en présence d’une connaissance imparfaite du canal radio.
Optimisation conjointe des ressources radio et des algorithmes de
relayage dans un contexte de coopération entre stations de base et utilisateurs.
Diffusion multiutilisateur (« Multicast ») et optimisations associées
1. Systèmes multistandards et hétérogènes
Optimisation des ressources radio dans un environnement hétérogène.
Architectures d’équipements radio multi-standards.
Gestionnaire de reconfiguration et de radio intelligente d’un équipement.
Capteurs pour la radio intelligente.
Prise de décision pour la radio intelligente.
Traitements du PAPR des signaux multi-standards.
Conception d’équipements multi-standards à base d’opérateurs communs.
Conception de haut-niveau, méta-modélisation.
.
1. Fourth-Generation Systems
Transmission and multiple access for the uplink of LTE systems.
Spatial multiplexing of orthogonally polarized MIMO signals
for mobile WiMAX and LTE Advanced.
Radio resource optimization in WiMAX/LTE systems for various
types of traffic.
MAC design in the presence of imperfect channel knowledge.
Joint optimization of resource allocation and relaying in the context
of cooperation between base stations and users.
Multicast in wireless networks, and corresponding optimizations.
2. Multistandard and Heterogeneous Systems
Radio resource allocation in a heterogeneous network environment.
Multi-standard equipments architecture.
Reconfiguration and cognitive radio management for equipments.
Cognitive radio sensors.
Decision making for cognitive radio.
Multi-standards signals’PAPR processing.
Multi-standards equipments design based on common operators.
High-level design, meta-modeling.
Pierre DUHAMEL
Mohamad ASSAAD
Christophe MOY
L2S – Division Signaux
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 17 16
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 14 43
Équipe SCEE - IETR
Campus de Rennes
Tél. : 33 (0) 2 99 84 45 84
60
4.2 Systèmes de radiocommunications
Wireless communications systems
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Optimisation des ressources dans les réseaux hétérogènes
Resource Optimization in heterogeneous networks
Christophe Gaie,
Mohamad Assaad
Pierre Duhamel
.....................................................................................................................................................................................................................................
Abstract We develop a discrete optimization framework in order to deal with Radio Resource Management (RRM) in heterogeneous
wireless systems. An efficient resource management solution, requiring low computation and signalling overhead, is proposed.
This solution consists in splitting the resource allocation problem into two parts. First, Users and Base Stations negotiate a
mean allocation using a Rate Scheduling algorithm issued from a discrete optimization problem. Then, Base
Stations allocate power independently and instantaneously in order to cope with changing radio conditions. Simulation results
show that the proposed M3RS converges quickly to an efficient allocation. Indeed, it reduces power usage in all systems and
increases the number of satisfied Users compared to a mono-system RRM algorithm.
De nos jours, l'émergence de nombreuses technologies de radiocommunications a accru l'intérêt envers les méthodes de Gestion des Ressources
Radios, en particulier dans des systèmes hétérogènes.
Les études déjà existantes dans l'état de l'art sur l'allocation des ressources
dans des contextes mono et multi-technologies utilisent souvent une
approche centralisée fondée sur l'optimisation convexe de fonctions continues. Le problème est donc résolu en introduisant des multiplicateurs de
Lagrange et l'allocation est faite via des algorithmes de type « montée des
eaux, Waterfilling » [1-3]. Ainsi, ces algorithmes nécessitent une signalisation importante et une complexité élevée, ce qui les rend peu efficaces en
pratique. Pour surmonter ces problèmes, la théorie des jeux sans coopération entre les différentes entités a été envisagée [4-5]. Cependant, ce type
d'approche aboutit à une solution sous-optimale du problème d'optimisation
envisagé. Par conséquent, des modèles fondés sur la coopération des entités
ont été proposés [6-8]. Cependant, ces solutions requièrent une signalisation
élevée de manière à assurer la coordination entre les différentes entités.
Dans cette étude [9], nous nous proposons de rechercher une méthode distribuée permettant de réaliser l'allocation de ressources prenant des
valeurs discrètes. La solution proposée doit permettre de réduire la complexité et la signalisation, comparé à une optimisation centralisée ou à
d'autres solutions distribuées basées sur la Théorie des Jeux.
Contributions
L'idée principale de l'algorithme proposé consiste à utiliser le fait que
chaque utilisateur connait ses propres conditions radios sur chacun des
réseaux auquel il a accès. Ainsi, il est possible de procéder à des négociations
successives entre les utilisateurs et les stations de base afin de déterminer
le débit moyen minimum alloué par chaque station de base à chaque utilisateur.
La proposition est fondée sur un découpage du problème initial en deux
sous-problèmes. Tout d'abord, les utilisateurs cherchent à obtenir des stations de base leur débit minimal par des négociations successives. Ce processus repose sur la décomposition du problème initial en Ns sous-problèmes d'optimisation (Ns est le nombre de réseaux considérés), en utilisant
la théorie de la décomposition et résoudre chaque sous-problème par une
méthode issue de l'optimisation discrète non linéaire permettant d'atteindre
le point optimal sur l'enveloppe convexe avec convergence rapide. Une fois
l'allocation moyenne obtenue, chaque station peut allouer de manière indépendante les ressources radios de manière à respecter les contraintes des
utilisateurs et la contrainte de puissance de la-dite station. Ce deuxième
problème est aussi formulé sous la forme d'un problème d'optimisation discrète et résolu par un algorithme simple et efficace.
Pour des raisons évidentes de manque d'espace nous ne donnons ici qu'un
seul exemple de résultat.
Un exemple de résultats [9]
La Figure 1 montre que les utilisateurs utilisant l'ODC convergent vers la
solution optimale en moins de 3 itérations. Les utilisateurs effectuant leurs
requêtes à l'aide du “Best SNR” n'améliorent pas leur configuration au cours
du temps. Ainsi, notre algorithme converge rapidement vers une solution
qui permet de diminuer la puissance consommée au niveau des stations de
base.
Recherche Research
Figure 1
Références
[1] S. Boyd and L. Vandenberghe, “Convex Optimization,” New York :
Cambridge University Press, 2004.
[2] W. Yu,W. Rhee, S. Boyd, and J. Cioffi, “IterativeWater-filling for
Gaussian Vector Multiple-access Channels,” IEEE Trans. on Information
Theory, vol. 50, no. 1, pp. 145-152, Jan. 2004.
[3] W. Rhee and J. Cioffi, “Increase in Capacity of Multiuser OFDM
System using Dynamic Subchannel Allocation,” Proceedings of the IEEE
Vehicular Technology Conference, pp. 1085-1089, May 2000.
[4] C. Saraydar, N.Mandayam, and D. Goodman, “Efficient Power Control
via Pricing in Wireless Data Networks,” IEEE Trans. on
Communications, vol. 50, no. 2, pp. 291-303, 2002.
[5] Z. Han and K. Liu, “Noncooperative Power-control Game and
Throughput Game over Wireless Networks,” IEEE Trans. On
Communications, vol. 53, no. 10, pp. 1625-1629, 2005.
[6] H. J.M. Peters, “Axiomatic Bargaining Game Theory,” Kluwer
Academic Publishers, 1992.
[7] L. Zhou, “The Nash Bargaining Theory with Non-convex Problems,”
Econometrica, vol. 65, pp. 681-685, May 1997.
[8] Z. Han, Z. Ji, and K. Liu, “Fair Multiuser Channel Allocation for
OFDMA Networks using Nash Bargaining Solutions and Coalitions,”
IEEE Trans. on Communications, vol. 53, no. 8, pp. 1366-1376, 2005.
[9] C. Gaie, M. Assaad, M. Muck and Pierre Duhamel, “Discrete Resource
Optimization in Heterogeneous Networks”, In proceedings of IEEE
SPAWC 2008.
2009 / 2011
61
4.
TELECOMMUNICATIONS
4.3
Réseaux sans fils distribués et coopératifs
Distributed and cooperative wireless networks
Traditionnellement, les réseaux de communications sans fils étaient centralisés, et donc sans coopération entre utilisateurs. Or, la mise en place de
coopérations et de décisions décentralisées apparaît de plus en plus
comme la voie principale d'amélioration de ces réseaux dans un futur
proche. Il existe de nombreuses raisons pour cela, et nous ne donnerons
que deux de ces raisons ici. La première est que certains réseaux sans fils
sont naturellement décentralisés. C'est le cas des réseaux WiFi et plus
généralement de tous les réseaux de terminaux opérant dans les bandes
sans licence. La seconde est que le fait de distribuer certaines tâches entre
les terminaux du réseau et de les autoriser à coopérer a de nombreux
avantages tels que : la diminution du coût de déploiement d'un réseau
sans fils, la diminution voire l'annulation du coût de signalisation pour
contrôler le réseau, la suppression des mécanismes de retour d'information, la possibilité d'avoir un réseau plus flexible, la répartition des coûts
de calculs, etc. En particulier, l'allocation de ressources distribuée est
reconnue comme un problème fondamental dans les réseaux sans fils.
Savoir bien concevoir et implanter des mécanismes d'allocation de ressources distribuée s'avère donc déterminant pour obtenir un réseau performant mais aussi pour déployer, avec un coût faible, des réseaux tels que
des réseaux ad-hoc, cognitifs, mesh, à relais ou bien encore MIMO virtuels.
Traditionally, wireless communication networks were centralized, hence
without cooperation between the various users. However, allowing decentralized decisions and cooperation between various users appears to be one
of the main ingredients for improving the next generation networks. There
are many reasons for this, and we will just mention two of them. Some
wireless networks are decentralized by conception. For example, this is the
case for WiFi networks and more generally for wireless systems operating
in unlicensed bands. Distributing some tasks between wireless devices has
many desirable features: decreasing network deployment costs, decreasing
the amount of signalling needed to control the network, avoiding feedback
mechanisms, making the network more flexible, sharing computational
tasks, etc. In particular, the problem of distributed resource allocation is
recognized as being crucial in wireless networks. Being able to design and
implement smart resources allocation policies not only allows one to achieve good performance but also to deploy in a cost-effective manner important
types of wireless networks such as ad-hoc networks, cognitive networks,
mesh networks, network MIMO with limited capacity backbone, relay networks and virtual MIMO systems.
...........................................................................
...........................................................................
Sujets
Topics
1. Applications
Réseaux ad-hoc, radio cognitive, réseaux coopératifs, réseaux hétérogènes, réseaux mesh, bandes libres, réseaux de capteurs.
1. Applications
Ad-hoc networks, cognitive radio, cooperative networks, heterogeneous
networks, mesh networks, open spectrum access, sensor networks.
2. Technologies
Coopération entre stations de bases ou points d'accès, systèmes à relais,
optimisation inter-couches, systèmes d'antennes distribuées, systèmes
MIMO distribués, management de ressources et ordonnancement distribués, apprentissage, codage réseau, codage distribué, sondage du
spectre, répartition du spectre.
2. Technology
BS or AP cooperation, relay strategies, cross layer optimization, distributed antenna systems, distributed MIMO, distributed RRM or scheduling, learning, network coding, distributed coding, radio spectrum sensing, spatial spectrum sharing.
3. Théories
Réseaux bayésiens, optimisation convexe, théorie des jeux, théorie des
graphes, théorie de l'information pour les réseaux.
3. Theory
Bayesian networks, convex optimization, game theory, graph theory, network information theory.
Samson LASAULCE
Mérouane DEBBAH
Mohamad ASSAAD - Sheng YANG
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 17 34
Chaire Alcatel-Lucent
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 14 47
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 14 43 / 50
E-mail : [email protected],
[email protected]
62
4.3 Réseaux sans fils distribués et coopératifs
Distributed and cooperative wireless networks
.....................................................................................................................................................................................................................................
Contrôle de puissance distribué pour les communications
efficaces énergétiquement
Distributed power control for energy-efficient communications
Samson Lasaulce
Mérouane Debbah
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Abstract The problem of power control in wireless multiuser channels where terminals can selfishly maximize their performance is considered. The performance metric under consideration is energy-efficiency that is, the number of bits successfully transmitted per
Joule burnt at the terminal. The non-cooperative nature of the type of networks under investigation generally results in an inefficient Nash equilibrium (when it exists). We have shown to what extent hierarchy, repetition and multiple antennas can help
to not only improve the performance of the overall network but also the individual performance for every user.
Le contrôle de puissance (CP) est un problème crucial dans certains réseaux
tels que les réseaux sans fils où la technique d'accès multiple est le CDMA.
Dans les réseaux sans fils distribués ou décentralisés (CDMA ou non), le cas
des bandes sans licences en est un exemple, il n'y a pas d'entité centrale qui
régule le CP des émetteurs (supposés autonomes) ce qui rend ce problème
encore plus délicat. Nous nous intéressons ici au CP dans de tels réseaux
lorsque chaque terminal veut maximiser de manière égoïste l'efficacité
énergétique de sa communication au sens de la mesure de performance
suivante :
tion optimale où il émet à p* = 96 mW. Nous voyons aussi qu'un système
MIMO 4x4 (n=4) permet d'atteindre une efficacité énergétique environ deux
fois supérieure au système SISO (7 ,77/3,71) et de plus avec une puissance
quatre fois plus faible (96/26).
où pi est le niveau de puissance instantanée de l'émetteur i, Ri est son débit
moyen de communication, p-i correspond à l'ensemble des puissances des
autres émetteurs et fi est une fonction d'efficacité de la communication (par
exemple le taux d'erreur paquet moyen). La maximisation égoïste par chaque
émetteur du nombre de bits transmis correctement par Joule consommé
conduit à un équilibre du réseau, dit équilibre de Nash, qui est inefficace.
Contributions
A ce jour, nous avons contribué à l'analyse et la résolution du problème décrit
sur essentiellement quatre aspects :
• Nous avons montré comment l'introduction d'un degré de hiérarchie dans
le réseau permet d'obtenir un équilibre (de Stackelberg) plus efficace et
d'avoir un curseur permettant de régler le compromis entre signalisation et
performances énergétiques [1].
Figure 1 : Influence du nb. d'antennes sur l'efficacité énergétique [4]
• En analysant l'aspect dynamique du jeu de contrôle de puissance nous
avons montré comment la répétition d'une situation d'interaction entre les
joueurs, interaction due à l'interférence d'accès multiple, change le comportement de ceux-ci : la meilleure chose à faire pour maximiser son propre profit est de coopérer. L'équilibre résultant est Pareto-optimal [2].
• Alors que la multiplication d'antennes au niveau des terminaux est connue
comme un moyen de diminuer la puissance émise pour un débit et une qualité de communication donnés, cette possibilité n'avait pas été explorée jusqu'ici en ce qui concerne la métrique ui. Nous avons étudié cet aspect dans
[3].
• Enfin, jusqu'à présent, la seule fonction d'efficacité fi qui avait été considérée était une expression empirique du taux d'erreur paquet. Récemment [4]
nous avons donné une interprétation plus fondamentale (via la notion de
probabilité de coupure issue de la théorie de l'information) à cette quantité,
permettant ainsi d'évaluer, pour les canaux quasi-statiques, la limite ultime
du nombre net de bits transférable par Joule consommé.
Pour des raisons évidentes de manque d'espace nous ne donnons ici qu'un
seul exemple de résultat qui concerne le quatrième aspect uniquement.
Un exemple de résultats [4]
La figure 1 représente l'efficacité énergétique en bit par Joule en fonction de
la puissance d'émission [W] pour différents nombres d'antennes (uniquement des systèmes MIMO carrés sont considérés) et pour une efficacité spectrale de 1 bit par symbole. Nous voyons, par exemple, qu'un terminal monoantenne (cas n=1) ayant 1 W de puissance disponible qui émet à pleine puissance voit son efficacité énergétique divisée par huit par rapport à la situa-
Recherche Research
Références
[1] S. Lasaulce, Y. Hayel, R. El Azouzi and M. Debbah, “Introducing hierarchy in energy games”, IEEE Trans. on Wireless Comm., Vol. 8, No.7,
July 2009.
[2] M. Le Treust and S. Lasaulce, “Contrôle de puissance distribué efficace énergétiquement et jeux répétés”, Proc. of the Gresti Conference, 2009.
[3] V. Belmega, S. Lasaulce, M. Debbah and A. Hjorungnes, “A new energy-efficiency measure for quasi-static MIMO channels”, IEEE ICWMC,
June 2009, invited paper.
[4] V. Belmega and S. Lasaulce, “How useful are multiple antennas in
energy-efficient power control games? An information-theoretic answer”,
2009, ACM Proc. of the International Conference on Performance
Evaluation Methodologies and tools (Valuetools).
2009 / 2011
63
4.
TELECOMMUNICATIONS
4.4
Radio logicielle/ Radio intelligente
Software Radio and Cognitive Radio
La Radio Logicielle fait référence à un ensemble de techniques qui permettent la reconfiguration d'une chaîne de communication sans modifier
un quelconque élément matériel. Cette idée très simple fait appel à un
grand nombre de domaines d'études et de technologies qui vont des
aspects économiques et de régulation, aux aspects matériels et microélectroniques en passant par les problèmes de téléchargement et d'intergiciel,
etc… Parmi tous ces domaines le Traitement du Signal est particulièrement important car c'est grâce aux progrès en Traitement du Signal que
le véritable concept de Radio Logicielle verra le jour.
Nos études concernent les architectures de plate forme reconfigurables,
ainsi que les architectures du Front End.
Un autre thème de recherche concerne le concept de Radio Intelligente,
avec ses différentes implications dans l'adaptation des liaisons radio, de la
gestion des réseaux, de la santé, du développement durable.
Software Radio refers basically to an ensemble of techniques that permit
the reconfiguration of a communication system without the need to change
any hardware system element. This basic idea of Software Radio involves
a large spectrum of areas going from economical aspects to hardware and
microelectronics problems trough software architecture and middleware
considerations.
Among all these topics, Signal Processing is one of the most important
because SP tools are used by all the others domains and because all the SP
advances offer the possibility to reach the true Software Radio concept.
Our activities concern mainly the execution hardware platform architecture and mainly the real time reconfiguration on heterogeneous platforms.
Another topic concerns the problems of the Analog Front End architecture.
The most long term item is, without any doubt, the “Cognitive Radio”
concept. Within this very attractive concept, we study the architecture of
future smart terminals, the link adaptation, the connection with the
“context aware” concept, and the relations between cognitive radio, health
and Green communications.
...........................................................................
...........................................................................
Sujets
Topics
1. Architectures matérielles
Etude des architectures radio pour terminaux multistandard ; architectures parallèles ; architectures matérielles reconfigurables favorisant la
conception des systèmes mobiles embarqués ; architectures matérielles
hétérogènes à hautes performances (DSP, FPGA, SoC, SoPC) ; reconfiguration dynamique ; reconfiguration partielle ; techniques de paramétrisation. Architecture de récepteurs multiservices simultanés.
1. Hardware platform architecture
Study of multistandards, mutibands receivers for real time mobile handset. Real time reconfiguration of heterogeneous platforms( DSP FPGA,
SOC,…). Partial reconfiguration of FPGA. Parameterization techniques.
Simultaneous multiservices receiver architecture.
1. Front-end
Analyse de la découpe AFE/DFE. Etude des « front-end » large bande
dans le récepteur. Modélisation des non linéarités. Définition de nouvelles fonctions, suite à la numérisation à haute fréquence.
3. Radio Intelligente
Terminaux intelligents ; étude des capteurs matériels; capteurs IHM ;
contexte aware ; Terminal universel ; reconnaissance autodidacte des
standards ; reconnaissance de la ressource spectrale disponible, autoadaptation du lien physique ; radio intelligente et santé, radio intelligente et développement durable.
2. Front End
Analysis of the sharing between AFE/DFE. Study of the wide-band
Front End. Non-linearity modelisation. Definition of new functions in
the receiver. New design of Carrier and clock recoveries.
3. Cognitive Radio
Smart Terminal. Study of sensors. IHM sensors. Context aware.
Universal receiver. Blind recognition of the standard. Blind detection of
the available resources. Link adaptation. Cognitive Radio and Health.
Cognitive radio and green communication.
Jacques PALICOT
Christophe MOY
Mérouane DEBBAH
Équipe SCEE - IETR
Campus de Rennes
Tél. : 33 (0) 2 99 84 45 41
Équipe SCEE - IETR
Campus de Rennes
Tél. : 33 (0) 2 99 84 45 33
Chaire Alcatel-Lucent
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 14 47
64
4.4 Radio logicielle - Radio intelligente
Software radio - Cognitive radio
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HDCRAM : un gestionnaire pour la conception d'architectures
d'équipements de radio intelligente
HDCRAM: a management architecture for the design of cognitive radio
equipment
Christophe MOY
Jacques PALICOT
.....................................................................................................................................................................................................................................
Résumé
Afin de concevoir un équipement de radio intelligente, il ne sera plus uniquement suffisant de programmer des opérations de
traitement du signal (radio). Un tel équipement devra intégrer également une architecture de gestion dite intelligente. Elle comprend notamment des fonctions de gestion de reconfiguration (que nous prônions déjà pour la conception radio logicielle), ainsi
que de prise en compte du reste du cycle cognitif (capteurs et prise de décision). Nous proposons pour cela aux concepteurs de
radio intelligente une architecture appelée HDCRAM (pour Hierarchical and Distributed Cognitive Radio Architecture
Management) qui intègre les éléments nécessaires à une gestion efficace de ces fonctionnalités (reconfiguration, prise de
décision, capteurs, traitement du signal) à l'intérieur d'un équipement. Afin de faciliter la conception de tels équipements, un
métamodèle a été dérivé du HDCRAM pour une première approche de conception de haut-niveau.
Introduction
Future cognitive radio (CR) equipments will have to be able to sense their
environment, learn and make decisions in order to reconfigure the radio
physical layer (but we consider the entire protocol stack indeed) so as to
adapt their operation to their environment. Sensing, decision making and
reconfiguring are the major 3 steps of the cognitive cycle defined by Joe
Mitola [1] to characterize cognitive radio.
It derives that the design of CR equipments does not consist anymore in
designing a set of radio operations. A CR equipment should be then composed of:
• a flexible hardware platform,
• radio processing functions (in software, firmware or wired),
• sensing processing functions or devices,
• decision making algorithms,
• an infrastructure to support both reconfiguration and cognitive management.
This last point is often neglected if not forgotten.
A cognitive management architecture
This is what HDCRAM provides to a cognitive radio equipment, whatever
the hardware composition of the platform. HDCRAM stands for
Hierarchical and Distributed Cognitive Radio Architecture Management.
HDCRAM has been thought to support the management of multi-processing heterogeneous platforms composed for instance of DSPs, GPPs,
FPGAs, ASICs, etc. It has been first introduced in [2] and is detailed in [3].
In order to support the reactivity necessary for a real-time cognitive behavior in an heterogeneous hardware platform, HDCRAM is composed of 3
levels of hierarchy as we can see in Figure 1. These 3 levels offer a management framework (or architecture) on top of processing operators considered here at its largest sense, e.g. any processing function from radio to
application layer, but also processing functions for sensing purposes, hardwired devices, etc.. We are clearly addressing a cross-layer view of the
cognitive management as any information from any OSI layer can provide useful information to adapt the protocol stack in the whole. Each of the
HDCRAM 3 levels is made of both a cognitive (CRM) and a reconfiguration (ReM) management sub-part.
HDCRAM metamodel
A cognitive radio equipment is becoming a complex system combining
hardware-software co-design, mixing processing and management (some
control indeed), so that solutions foreseen for complex system design are
in the scope of cognitive radio design. Trends in complex systems design
are clearly moving towards high level design solutions (Model Driven
Engineering). A metamodeling design approach of HDCRAM is consequently also proposed. The HDCRAM metamodel is shown in Figure 1. A
metamodel is a way to set design rules, e.g. to orient/adapt UML semantic
for a specific domain, here cognitive radio domain.
Cognitive radio equipment design simulation
However, meta-languages only support structural specifications and do
not support operational semantic. We also consider the use of an executable language in order to specify actions in the meta-model structure. The
Kermeta language is developed by the INRIA in order to support a behavioral definition and provide an action language, which enables to specify
the body of operations in meta-models.
Recherche Research
Figure1: HDCRAM metamodel
With the help of the Kermeta language, the HDCRAM can be described
with both structural and behavioral definitions with the creation of a DSL
for the CR. This offers the opportunity to refine the meta-model with scenarios that ensure that the system conforms to specifications, while keeping a high level of abstraction.
Future work
A key point is that this meta-model is defined at a very high level of abstraction, meaning that it does not tackle physical constraints such as time
constraint, physical interface, resource limitation, etc. The purpose of this
executable meta-model is to validate CR equipment APIs and its functionalities at a high level of abstraction. This is a necessary first step in the
modeling process, which helps to refine the CR specifications. As a
perspective, in a future step of our research, thanks to specific rules, the
designer could use model transformations in order to specify the physical
constraints. This means that appropriate abstraction levels have to be
defined (there may be several of them), as well as a pertinent representation format (UML or SystemC).
References
[1] J. Mitola, G. Maguire, “Cognitive radio: making software radios
more personal, Personal Communications”, IEEE Wireless
Communications, Vol. 6, No. 4. (1999), pp. 13-18.
[2] L. Godard, C. Moy, J. Palicot, “From a Configuration Management
to a Cognitive Radio Management of SDR Systems”, CrownCom'06,
8-10 June 2006, Mykonos, Greece, pp. 11-15.
[3] L. Godard, C. Moy, J. Palicot,"An Executable Meta-Model of a
Hierarchical and Distributed Architecture Management for the
Design of Cognitive Radio Equipments", Annals of
Telecommunications Journal, Special issue on Cognitive Radio,
vol. 64, number 7-8, Aug. 2009, pp. 463-482.
2009 / 2011
65
4.
TELECOMMUNICATIONS
4.5
Traitement du signal pour le multimédia
Signal Processing for Multimedia
L'essor des communications modernes et des nouveaux services qui s'y
rattachent introduisent un grand nombre de problématiques nouvelles
pour les chercheurs en traitement du signal.
En particulier, la mise en place de transmission numérique de signaux
audio-visuels pose de manière aigue deux problèmes :
(i) lors de cette transmission, des erreurs peuvent intervenir. Si l'on fait
abstraction de toute contrainte (délai de transmission, réutilisation de
réseaux existants), une optimisation séparée du codeur de source et du
codeur canal est optimale. Cependant, dans de nombreux cas concrets, une
optimisation conjointe est plus efficace, car la moindre erreur de transmission engendre un comportement catastrophique du décodeur source.
De plus, la transmission à travers l'ensemble des couches réseau ajoute de
la structure au flux binaire. Exploiter cette structure permet une meilleure réception;
(ii) dans un système bien conçu au niveau « transmission » on peut dupliquer et diffuser à l'infini de tels signaux. Il est alors nécessaire de contrôler cette diffusion à l'aide d'outils spécifiques, comme le tatouage (watermarking).
The expansion of modern communication systems as well as the emergence
of new services state many interesting problems for signal processing
research.
For example, the digital transmission of audio-visual signals states in a
very accurate manner two problems:
(i) during this process, transmission errors may occur. If there is no external constraint (such as transmission delay, re-use of existing networks for
other signals than those initially planned) such errors should not happen,
since a separate optimization of the source encoder and the channel coder
is optimal. However, in numerous cases, and due to practical constraints, a
joint optimization is more efficient, since transmission errors generate a
catastrophic behaviour of the source decoder. Moreover, the transmission
across the various network layers adds some structure and redundancy to
the bitstream. This can be used for a better reception;
(ii) as a result, in a well designed system, one can duplicate and indefinitely forward such signals. Thus, it is necessary to control this dissemination
through the use of specific tools such as watermarking.
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...........................................................................
Sujets
Topics
1. Décodage source-canal-protocole conjoint
Décodage itératif source/canal, analyse de la structure du train binaire issu du codeur source, analyse de la structure du train binaire introduite par les différentes couches réseau.
1. Joint source-channel-protocol decoding
Iterative source/channel decoding, Analysis of the structure of the bitstream issued by the source coder, Analysis of the structure of the bitstream issued by the various protocol layers.
2. Réception robuste d'entêtes
Calcul optimal et approché de métriques prenant en compte les CRC,
optimisation inter couches (allocation de redondance).
2. Robust Header Reception
Optimal and approximate metric computation making use of the CRC,
cross-layer optimization (redundancy allocation).
3. Codage source-canal conjoint
Introduction délibérée de redondance dans le flux issu du codeur de
source pour une meilleure robustesse : Codage entropique correcteur
d'erreur (VLC, arithmétique), codes source-canal conjoints.
3. Joint Source and Channel Coding
Introducing redundancy in the bitstream issued by the source coder for
an improved robustness: error correcting entropy codes (VLC, arithmetic), joint source-channel encoders.
4. Tatouage et sécurité des transactions
Techniques de tatouage de signaux audiovisuels, théorie des jeux,
tatouage robuste et fragile, analyse système de situations pratiques,
tatouage indécelable (stéganographie).
4. Watermarking and security
Tools for watermarking audiovisual signals, game theory, robust and
fragile watermarking, analysis of practical situations, transparent
watermarking (steganography).
Michel KIEFFER
Claude DELPHA
Sujets 1, 2, 3 / Topics 1, 2, 3
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 17 32
Sujet 4 / Topic 4
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 17 64
66
4.5 Traitement du signal pour le multimédia
Signal processing for multimedia
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Décodage protocole-canal conjoint
Joint protocol-channel decoding
C. Marin, U. Ali,
K. Bouchireb
M. Kieffer, P. Duhamel
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Abstract When transmitting multimedia contents over wireless channels, many packets may be considered as unusable as soon as they
are corrupted with (even very few) errors. This work presents an enhanced permeable layer mechanism, allowing damaged packets to reach the upper protocol layers, where they may be corrected thanks to joint source-channel decoding techniques [1].
Packet header recovery at various protocol layers using MAP estimation is the cornerstone of the proposed solution. The inherently available intra-layer and inter-layer header correlation proves to be very effective in selecting a reduced set of possible
header configurations for further processing. The best candidate is then obtained through soft decoding of CRC protected data
and CRC redundancy information itself. Simulation results for WiFi transmission using DBPSK modulated signals over
AWGN channels show a substantial (up to 12 dB) link budget improvement over classical hard decision procedures.
Le contexte
Lors de la transmission de contenus multimédia sur des canaux sans fils tels
que Wifi, WiMAX ou encore LTE, de nombreux paquets peuvent être entachés d'erreurs de transmission. Ces erreurs, lorsqu'elles ne sont pas corrigées
par les décodeurs de canal, conduisent généralement à la perte des paquets
concernés, même si ceux-ci ne contiennent qu'un très faible nombre d'erreurs.
blanc additif gaussien. Le schéma de référence est un décodeur classique. Le
décodeur robuste exploite la redondance inter et intra-couches protocolaires, tandis que le décodeur CRC-robuste exploite en plus la présence du
CRC protégeant l'en-tête des paquets PHY. Des gains pouvant aller jusqu'à
12 dB en rapport signal-à-bruit sont observés.
L'objectif du décodage protocole-canal conjoint est d'exploiter la redondance
présente au sein de la pile protocolaire pour améliorer le décodage des entêtes des paquets erronés, voir la Figure 1. Ceci doit permettre la remontée
de ces paquets au sein de la pile protocolaire, et leur prise en charge au
niveau applicatif par des techniques de décodage source-canal conjoint [1].
L'intérêt est de limiter le nombre de paquets à retransmettre.
Figure 2 : Comparaison des performances pour le décodage
des en-têtes de la couche physique
Nos perspectives
Figure 1 : Pile protocolaire de type Wifi 802.11
Notre contribution
Dans une chaîne de transmission de données en mode paquet, les en-têtes
des paquets successifs d'une même couche protocolaire sont fortement corrélés : leur contenu varie le plus souvent très peu d'un paquet au suivant.
De même, les en-têtes des différentes couches protocolaires peuvent également présenter des redondances. Enfin, de nombreux en-têtes sont protégés
par des CRC ou des checksums, utilisés de manière classique pour vérifier
l'intégrité de l'en-tête ou du paquet.
L'idée du décodage protocole-canal conjoint est d'exploiter cette redondance
inter et intra-couches protocolaires pour réaliser une estimation eu sens du
maximum a posteriori des en-têtes des paquets au niveau de chaque couche
protocolaire. La redondance permet de réduire significativement la taille de
l'espace de recherche pour les en-têtes erronés. De plus, CRC et checksum
ne sont plus utilisés comme codes à détection d'erreurs, mais sont intégrés
dans l'estimateur au sens du maximum a posteriori, où ils jouent le rôle de
codes correcteurs d'erreurs.
La figure 2 illustre les performances de notre schéma de décodage protocole-canal conjoint dans un contexte de transmission de données via une pile
protocolaire de type Wifi 802.11 [3], pour les paquets de la couche physique
(PHY). Les signaux sont modulés DBPSK et transmis sur canal à bruit
Recherche Research
La remontée de paquets erronés dans les couches protocolaires supérieurs
permet de réduire largement la quantité de paquets à retransmettre
(lorsque c'est possible). Nous souhaitons étendre aux couches supérieures
les résultats obtenus pour les couches PHY et MAC. Par ailleurs, un test a
posteriori permettant de détecter si le décodage conjoint s'est effectué correctement devient indispensable pour déterminer la qualité du paquet décodé. Quelques pistes ont été présentées en ce sens dans [4].
Références
[1] P. Duhamel et M. Kieffer, Joint source-channel decoding: A CrossLayer Perspective with Applications in Video Broadcasting. Academic
Press, 2009.
[2] Marin, C. and Leprovost, Y. and Kieffer, M. and Duhamel, P., Robust
MAC-lite and header recovery based improved permeable protocol layer
scheme, Proceedings IEEE ISSSTA 2008.
[3] ANSI/IEEE. 802.11, part 11: Wireless LAN medium access control
(MAC) and physical layer (PHY) specifications. Technical report, 1999.
[4] K. Bouchireb, C. Marin, P. Duhamel, et M. Kieffer, Improved retransmission scheme for video communication systems, Proc. IEEE PIRMC
2008, Cannes.
2009 / 2011
67
4.
TELECOMMUNICATIONS
4.6
Systèmes de numérisation
Digitization systems
C'est une évidence de constater tout à la fois la dissémination et l'évolution des performances des systèmes numériques mobiles et communicants
(téléphones portables, PDA, GPS, etc.). L'augmentation des débits, l'optimisation des ressources radio, la versatilité et l'interopérabilité des matériels mobiles (« radio logicielle ») nécessitent de résoudre de nombreux problèmes. L'un d'entre eux est incontournable : celui du passage entre le
monde radio et le monde numérique. Les changements de fréquence et la
conversion analogique-numérique classique ne permettent pas de s'adapter par logiciel à différents standards dont certains requièrent une large
bande à faible résolution et d'autres une bande étroite mais avec une résolution élevée.
Les systèmes de numérisation du futur devront, dans une technologie donnée, présenter ces caractéristiques afin de rendre réalisable le concept de
« radio logicielle ». De tels systèmes feraient également jouer les économies d'échelle, même si leur complexité intrinsèque est plus élevée.
The general domain of mobile communications (cellular phones, PDAs,
GPS) is always increasing. Higher data rates, optimization of the use of RF
resources, versatility and interoperability of mobile terminals (e.g. “software radio”) need to solve a number of problems. One of them appears to be
crucial: the necessary interface between the radio and digital worlds. IF
stages and classical analog-to-digital conversion cannot fit to different
standards requirements i.e. a wide bandwidth with a high resolution or a
narrow bandwidth with a higher resolution.
Tomorrow's digitization systems should offer, for a given process technology, the above characteristics in order to enable software radio applications.
Defined to be versatile, such systems would lead to low costs of production
because of scaling effects, even though they would be certainly more complex than conventional ones.
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Sujets
Topics
1. Bancs de Filtres Hybrides (BFH)
Les BFH permettent d'effectuer une conversion passe-bande largebande. On peut de plus améliorer dynamiquement leur résolution dans
une sous-bande. Ils se synthétisent à partir de filtres analogiques d'entrée quelconques, mais leur sensibilité aux imperfections des dispositifs
analogiques exige l'emploi de techniques de compensation spécifiques
(sujet 3).
1. Hybrid Filter Banks (HFB)
HFB allow band-pass and wide band conversion. Moreover, the resolution may be dynamically improved in a narrower bandwidth. Some synthesis methods make it possible to design HFB from any analog input
filters. But the HFB sensitivity to analog errors requires specific correction techniques (topic 3).
2. Bancs de modulateurs sigma-delta
À l'origine, la mise en parallèle de modulateurs sigma-delta dérive du
principe des BFH, mais du fait du suréchantillonnage, chaque sousbande n'est convertie que par un seul modulateur, ce qui élimine les
problèmes de repliement de spectre des BFH.
3. Compensation des défauts de l'analogique par adaptation du
traitement numérique
Les composants analogiques, indispensables dans les étages d'entrée,
sont sources d'incertitudes (dérives, imprécision de fabrication…). Des
méthodes numériques spécifiques permettent de les identifier, puis les
corriger. Il est cependant préférable d'adapter directement le traitement numérique sans identifier les imperfections. Dans le cas des BFH,
l'égalisation adaptative permet d'effectuer une calibration du système
afin d'obtenir la résolution voulue dans la bande à convertir souhaitée.
2. Sigma delta modulators banks
This parallel delta-sigma modulators architecture relies upon frequency
band decomposition as HFB do, but due to oversampling, each subband
is converted by a single modulator, which removes the aliasing terms
inherent in HFB.
3. Compensation of inaccuracy and drift in analog part of circuits
Analog components must be present in the front-end, even if they are
subject to a number of uncertainties due to drifts, inaccuracy of the process… Relevant digital methods permit to identify and then compensate
these problems. It is however preferable to adapt directly the digital processing without identifying the imperfections. In the case of HFB, an
adaptive equalization can calibrate the digital filtering in order to get
the good resolution in the signal band.
Richard KIELBASA
Philippe BENABES
Caroline LELANDAIS-PERRAULT
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 14 03
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 14 19
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 14 20
68
4.6 Systèmes de numérisation
Digitization systems
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Band-Pass Continuous-Time Delta-Sigma Modulators employing
acoustic waves filters resonators
Modulateurs sigma delta passe-bande à temps continu à base
de filtres à ondes acoustiques
Philippe Bénabès
Richard Kielbasa
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Résumé
La conversion analogique-numérique très large-bande peut se réaliser par une mise en parallèle de modulateurs sigma-delta à
condition de savoir réaliser des modulateurs capables de travailler dans une large gamme de fréquences centrales. Afin de
garantir une performance minimale, les filtres utilisés dans ces modulateurs doivent présenter des facteurs de qualité suffisants. Les filtres à ondes de Lamb, dont les fréquences de résonance peuvent être définies à la conception en fonction de paramètres géométriques simples sont une solution prometteuse. Mais il est nécessaire de concevoir de nouvelles topologies de modulateurs compatibles avec ces filtres.
Introduction
Continuous-time Sigma-Delta modulators are an attractive way to build
band pass A to D converters. They are composed with an analog modulator
that oversamples the input signal and a digital filter that reduces the sampling frequency and removes the out-of-band quantization noise. The modulator consists in an analog filter, a fast A-to-D converter, and a feedback Dto-A converter. The filter is the critical part of the modulator as it must have
poles with high quality factor and precise resonance frequency. Among all
technologies to build the filters, acoustic wave filters are a promising technology, especially Lamb Waves Resonators [1].
The Gm elements are voltage to differential current converters, the Z are
dual current to voltage converters, and the M element are true differential
current to current converters (current mirrors). The signal transfer function
will be controlled by the gains of Gm1, Gm2 & Gm3
Lamb Wave Resonator (LWR)
The structure of Lamb Wave Resonators (LWR) which is similar to Acoustic
Wave resonator (SAW) and Film Bulk Acoustic Resonator (FBAR), is composed of a piezoelectric layer sandwiched between two thin electrodes and placed on a membrane (Fig. 1). The LWR employs lateral wave propagation.
Figure 3: Innovative
modulator filter topology
There are two major advantages for this structure:
- the filter transfer function of this structure is compatible with a wide range
of central frequencies,
- this topology employs a single feedback DAC.
The NTF can be controlled by the gains of the current mirrors and the DAC
delay. The optimal DAC delay will be equal to 1:95Ts for a central frequency
equal to 0:2Fs. It should be 1:08Ts for a central frequency equal to 0:3Fs.
Fig.4 shows the Noise Transfer Function (NTF) of the topology obtained for
three central frequencies.(fc= 0.22fs , fc=0.25fs , fc=0.28fs).
Figure 1: Lamb wave resonator working on (a) fundamental (b)
third harmonic
The advantages of LWR are:
- accurate central frequency without the need for tuning,
- wide available resonant frequency range up to Gigahertz,
- high stability versus temperature.
A LWR resonator can be modeled by a RLC serial filter in parallel with a capacitance C0. C0 is the inherent static capacitance between the two terminals.
The presence of the static capacitance leads us to use a differential resonator structure with anti-resonance cancelation (Fig. 2). Two capacitive paths
(Cc) are added. These paths act effectively as a negative capacitance. If Cc is
made equal to C0, the effect of C0 can be cancelled.
Figure 4: Noise Transfer Function for three central frequencies (fc).
References
[1] R. Yu, Y.P. Xu, “Band-pass Sigma-Delta Modulator Employing SAW
Resonator as Loop Filter”, IEEE Transactions on Circuits and Systems,
Regular Papers, Vol. 54, No. 4, April 2007.
[2] P. Benabes, A. Beydoun, J. Oksman, “Extended Frequency-BandDecompostion sigma-delta A/D converter”, Analog Integrated Circuits
and Signal Processing, January 2009.
Figure 2: Proposed resonator topology
to anti-resonance cancelation
New continuous-time modulator topology
In the context of parallel converters banks [2], sigma delta modulators must
be able to work in a wide range of central frequencies. The topology presented in Fig.3 [3] can work at a central frequency between 0.2fs and 0.3fs where
fs is the sampling frequency.
Recherche Research
[3] M. Javidan, P. Benabes, “Band-Pass Continuous-Time Delta-Sigma
Modulators Employing LWR Resonators”, IEEE International
Conference on Electronics, Circuits, and Systems (ICECS'08), ISBN: 9781-4244-2181-7, pp. 1119-1122, St Julians, Malta, August 31 - September
3, 2008.
2009 / 2011
69
4.
TELECOMMUNICATIONS
4.7
Outils méthodologiques
Methodological tools
Dans ses premiers travaux, Shannon a étudié les transmissions point-àpoint et a développé une théorie complète connue sous le nom de théorie
de l'information. Aujourd'hui, les réseaux doivent faire face à des
problèmes plus larges et plus complexes et ceci, pour trois raisons principales : les réseaux sont hétérogènes en puissance de transmission, fréquence, portée, efficacité spectrales et standards. Les communications
sont souvent limitées entre les systèmes et les décisions doivent se faire
de manière décentralisée. Enfin, les systèmes sont souvent complexes et
denses et il est assez difficile de prendre en compte tous les paramètres
d'intérêt. Un des problèmes les plus importants est de gérer la complexité
de ces systèmes et de développer les outils adéquats pour étudier les dynamiques et les performances spatiales et temporelles des systèmes complexes. Afin de proposer une théorie fructueuse, la recherche dans ce
domaine est interdisciplinaire et résulte d'un mélange de plusieurs théories et domaines : théories des matrices aléatoires, théories des probabilités libres, inférence bayésienne, théorie des jeux, modèles graphiques et la
géométrie de l’information
In his early papers, Shannon studied the point-to-point channel and developed a full theory known as information theory. Nowadays, wireless networks face much broader and complex problems due to three facts: the systems are heterogeneous in transmit power, frequencies, range, QoS requirements, spectral efficiency and standards. Very often, no communication between the different systems is allowed and decisions have to be taken in a
decentralized or distributed manner. Finally, systems are often dense and
it is quite hard to capture all the parameters of interest. One of the most
challenging problems is to manage complexity and develop the adequate
tools to reason about the spatial and temporal dynamics of complex systems. In order to provide a fruitful new theory, the research in this field is
inter-disciplinary and is a blend of several important theories and fields,
namely random matrix theory, free probability theory, Bayesian inference,
game theory, graphical models and information geometry.
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...........................................................................
Sujets
Topics
1. Matrices aléatoires
Théorèmes centraux limites, comportement de la plus grande/petite
valeur propres, modèles spiked, matrices aléatoires non centrées,
matrices aléatoires avec un profil de variances.
1. Random Matrices
Central limit theorems, behavior of the maximum/minimum eigenvalue
of Random matrices, spiked models, non-central random matrices, random matrices with a profile of variance.
2. Théorie des probabilités libres
Déconvolution libre, partitions non-croisées, transformées en R, transformées en S, méthodes des moments, cumulants libres, variables aléatoires non-commutatives, produits libres, algèbres de Von-Neumann.
2. Free Probability
Free deconvolution, non-crossing partitions, R-transform, S-transform,
moments method, free cumulant, non-commutative random variables,
free products, Von-Neumann algebras.
3. Inférences bayésiennes
Méthodes Maxent, procédures de marginalisation, théorème de Bayes,
comparaison de modèles bayésiens, description minimale, maximisation
d'entropie.
3. Bayesian Inference
Maxent Method, marginalization procedure, Bayes theorem, Bayesian model
comparison, Minimum description length, Occam's razor, entropy maximization.
4. Théorie des jeux
Théorie des jeux algorithmique, jeux coopératifs/non-coopératifs, équilibres, jeux avec information complète/incomplète, théorie de la connaissance, apprentissage, rationalité, jeux statiques/dyamiques.
4. Game theory
Algorithmic game theory, cooperative/non-cooperative games, equilibria, games with complete/incomplete information, knowledge theory,
learning, rationality, static/dynamic games.
5. Modèles graphiques
Graphes factoriels, réseaux bayésiens, champs de Markov, approximation normale pour les champs de Markov et pour les graphes de dépendance, propagation de croyance, algorithme somme-produit, analyse en
convergence, évolution de densité, méthodes issues de la physique statistique.
5. Graphical models
Factors graphs, Bayesian networks, Markov random fields, normal
approximation for MRF and for dependency graphs, belief propagation,
sum-product algorithm, convergence analysis, density evolution, statistical physics methods.
6. Géométrie de l'information
Etude des algorithmes itératifs, accélération de convergence, caractérisation des points d'équilibre.
6. Information geometry
Iterative algorithms, accelerating their convergence, characterization of their
equilibrium points.
Mérouane DEBBAH
Samson LASAULCE
Antoine BERTHET
Chaire Alcatel Lucent
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 14 47
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 17 34
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 14 62
70
4.7 Outils Méthodologiques
Methodological tools
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Matrices Aléatoires pour les Systèmes MIMO Broadcast
et à Accès Multiples
Random Matrices for Broadcast and Multiple Access MIMO Systems
Romain Couillet
Mérouane Debbah
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Abstract Multi-antenna (MIMO) systems have the potentiality to significantly increase channel capacity as has been theoretically
demonstrated in the last decade. However, practical applications prove more challenging due to signal correlation at transmit/receive antenna arrays, which is rarely accounted for in theoretical studies. We propose here a methodology, based on a
recent paper [1], to enable correlation parameters in multi-antenna systems. The rate regions of multiple access and broadcast
MIMO channels are presented here as an introductory example.
Un exemple de résultats
Les systèmes de communication à N antennes de transmission et n
antennes de réceptions (MIMO) promettent en théorie un gain multiplicatif
d'ordre min(n,N) comparé aux systèmes mono-antenne. Cependant, en pratique, la corrélation due à la proximité des antennes et aux directions de
transmission porteuses d'énergie utile (celle qui sera effectivement reçue)
réduit largement ce gain attendu. Nous proposons ici une méthode permettant d'intégrer ce paramètre de corrélation dans les calculs de capacité théorique. L'ingrédient essentiel de cette méthode repose sur un théorème
récent dû à Silverstein [1]. Une application de nos résultats au cas de
canaux MIMO broadcast et à accès multiples est également présentée.
En Figure 1 est présentée la région de capacité de deux utilisateurs, munis
chacun de 4 antennes proches, dans un canal « broadcast ». L'émetteur est
lui muni de 8 antennes à distance modérée l'une de l'autre. La valeur du
SNR est de -5 dB. Un algorithme d'allocation sous-optimal de puissance est
appliqué. Nous observons en particulier le gain large en capacité pour le
transmetteur à mettre en place une allocation efficace de puissance sur ses
antennes.
Contributions
Le résultat clé de notre étude est un théorème liant des modèles de corrélation spatiale, exprimés sous forme matricielle T, NxN, et R, nxn, représentant respectivement la corrélation croisée entre antennes de transmission
et de réception d'un système MIMO, à la transformée de Stieltjes de la
matrice A=R XTX R où X est une matrice aléatoire gaussienne. Cette dernière matrice caractérise la réalisation spécifique du canal à corrélation
séparée R XT . La capacité d'un tel système est alors liée à la transformée
de Shannon de A, i.e. une forme intégrale de la transformée de Stieltjes de
A. La méthode en question se généralise alors à des systèmes à plusieurs
émetteurs et/ou plusieurs récepteurs.
1/2
1/2
H
1/2
1/2
L'intérêt majeur de cette méthode réside dans le fait que l'expression théorique de la capacité est indépendante de la réalisation spécifique du canal
(donnée par la matrice X) et n'est alors qu'une fonction déterministe des
matrices de corrélation T et R.
Parmi les systèmes étudiés à ce jour à l'aide de cette méthode, nous comptons :
Figure 1 : Région de capacité d'un canal broadcast à 2 utilisateurs, n=4,
N=8, SNR=-5 dB. En ligne pleine, uniforme allocation de puissance par
antenne de transmission.
• les systèmes multi-cellulaires, de type téléphonie mobile, avec interférence entre cellules. La capacité de transmission de tels systèmes lorsque les
sources d'interférence sont décodées par chaque récepteur ou considérées
comme du bruit additif est déterminée [1,2] ;
• les systèmes à accès multiples où plusieurs émetteurs partagent les même
ressources fréquentielles et temporelles et les systèmes « broadcast » dans
lesquels une source accède à plusieurs récepteurs sur une même ressource [1,3].
A l'aide de cette nouvelle approche théorique, nous apportons pour tous ses
systèmes des algorithmes d'optimisation convexe [2,3] (ou des heuristiques
[1,3]) d'allocation de puissance par antenne de transmission lorsque l'émetteur a connaissance parfaite du canal de transmission. Nous montrons que,
via ces algorithmes, un gain potentiellement large en capacité peut être
atteint.
Il est important de souligner que cette méthode n'est en théorie valide que
pour de larges valeurs pour n,N. Il est cependant montré en simulations que
de faibles valeurs pour n,N donnent lieu à une quasi-coïncidence entre théorie et simulations, dès lors que le rapport signal sur bruit (SNR) n'est pas
trop large.
Références
[1] R. Couillet, M. Debbah and J. Silverstein, “A deterministic equivalent
approach for the capacity analysis of multi-user MIMO channels”,
Submitted to IEEE Trans. on Information Theory.
[2] R. Couillet, M. Debbah and J. Silverstein, “Asymptotic Capacity of
Multi-User MIMO Communications”, IEEE ITW 2009 Conference,
October 2009, Italy.
[3] R. Couillet, M. Debbah and J. Silverstein, “Rate Region of Correlated
MIMO Multiple Access Channels and Broadcast Channels”, IEEE SSP
2009 Conference, Cardiff, UK.
Recherche Research
2009 / 2011
71
72
5. ÉLECTROMAGNÉTISME
ELECTROMAGNETICS
5
73
5.
ÉLECTROMAGNÉTISME
ELECTROMAGNETICS
5.1
Techniques de champs proches
Near-field techniques
Les techniques de champs proches constituent une approche efficace à la
caractérisation de systèmes rayonnants complexes. Leur efficacité résulte
principalement d'une combinaison optimale de mesures et de traitements
numériques dont la transformation « champ proche / champ lointain »
constitue maintenant un exemple bien connu. Plus généralement, un
nombre minimal de mesures sur une surface entourant le système sous
test permet d'accéder au champ, pratiquement partout à l'extérieur du
système. Ces techniques peuvent être mises en œuvre pour les rayonnements tant intentionnels que non intentionnels. Cette dernière possibilité
explique leur utilisation croissante dans le domaine de la «compatibilité
électromagnétique» (CEM). De surcroît, l'utilisation de réseaux de sondes,
au lieu d'une sonde déplacée mécaniquement, procure une rapidité inégalée, si on la compare à celle des mesures effectuées plus classiquement en
chambres longues ou compactes.
Near-field techniques constitute an efficient approach for characterizing
complex radiating systems. Their efficiency mainly stems from optimal
hybridization between measurements and numerical processing. « Nearfield to far-field » transformations are the most popular example of this
processing. Generally however, a minimum number of measurements on a
closed surface surrounding the system under test makes it possible to
retrieve the field virtually anywhere outside this system. Near-field techniques can be used for both intentional and non-intentional radiating systems. This last capability explains the growing use of these techniques for
« electromagnetic compatibility » (EMC) applications. The use of probe
arrays (instead of a mechanically scanned probe) provides unrivaled rapidity, even by comparison with more traditional measurements conducted
over long or compact ranges.
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Sujets
Topics
1. Méthodes de mesure « sans phase »
Corrélation temporelle et problème de source inverse pour émissions
modulées.
Caractérisation de sources MFP à partir de thermogrammes infrarouges.
1. Phaseless measurements
Time domain correlation and inverse source techniques for non CW
emissions.
Characterization of HPM primary sources from infrared thermograms.
2. Mesures dans le domaine temporel
Mise au point d'une plate-forme expérimentale et adaptation des techniques numériques dont la transformation « champ proche / champ lointain ».
3. Caractérisation des antennes de stations de base
Caractérisation des antennes BTS en coordonnées cylindriques :
- diagrammes de rayonnement ;
- périmètre de sécurité ;
- DAS.
Compensation des effets de troncature au moyen de techniques de prolongement analytique.
Conversions modales et algorithmes de rétro-propagation.
Études statistiques du rayonnement des antennes relais.
2. Time domain measurements
Development of measurement facilities and adaptation of numerical
techniques such as “near field to far field” transformation.
3. Characterization of base station antennas
Near-field measurements in cylindrical coordinates:
- far-field radiation pattern;
- safety perimeters;
- SAR.
Compensation for truncation effects via analytical prolongation techniques.
Modal conversion and back-propagation algorithms.
Statistical survey of radiation properties for base station antennas.
Dominique PICARD
Nicolas RIBIÈRE-THARAUD
Département de Recherche en Électromagnétisme
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 15 55
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 15 72
74
5.1 Techniques de champs proches
Near-field techniques
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Antenna characterization from phaseless Near-Field data
Caractérisation d'antennes et mesures sans phases en champ proche
Nicolas Ribière-Tharaud
Marc Lambert
François Jouvie
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Résumé
L'utilisation des techniques de champs proches pour la caractérisation du diagramme de rayonnement d'une antenne
nécessite la connaissance du champ près de l'antenne en module et en phase. L'accès à cette dernière n'est pas toujours
possible et une solution bien connue consiste à utiliser une technique algorithmique de reconstruction de phase.
Introduction
This work is carried out in the framework of a collaboration between DRÉ
and the Composite Materials and Structures Department (DMSC) / ONERA
(F/3007/DAL.JCAP). We are concerned with the antenna radiation pattern
characterization in a wide frequency range (0.5-20 GHz) with a specific
infrared measurement technique (EMIR®). Such a method allows to get very
rapidly a planar cartography of the amplitude of the electric field in the vicinity of the antenna under test (AUT) without any electromagnetic disturbance of the latter [1][2]. Unfortunately both magnitude and phase of the
electric field are needed to reconstruct the far field by means of a nearfield/far-field transformation. The development and the validation of a
“phase retrieval” algorithm are then required.
Figure 1: Measurement configuration
Features
Among the different methods of optimization used in this domain [3], an
iterative technique allowing the reconstruction of the unknown phase
from the knowledge of the field amplitude measured on two different
planes parallel to the aperture of the AUT (Figure 1) has been applied. The
developed algorithm has been validated at 8 GHZ using three kinds of
data obtained from the same existing pyramidal horn antenna:
1. Simulated data obtained from a commercial code using a moment
method (FEKO®). Such an approach allows a large parametric study
(size of and distance between the planes, measurement sampling
step, dynamic range (sensitivity) of the measurements) and permits
to exhibit the optimal measurement configuration which has been
then applied to the experimental acquisitions.
2. Experimental data (magnitude and phase) measured using a planar
near-field test facility at DRÉ (dipole probe and network analyzer).
3. Experimental data (magnitude only) measured by ONERA using the
EMIR® method.
Results
Three different computed far fields are compared: the far field obtained by
considering the numerical computed near field amplitude and the reconstructed phase, the far field obtained using the near field amplitude measured by means of a classical probe and the reconstructed phase, and the
far field obtained from the near field amplitude measured by means of an
infrared technique and the reconstructed phase. Figure 2 shows a good
agreement between the three far fields obtained from the “phaseless
reconstruction” algorithm and the exact solution. Others results with
similar features [3] have been obtained at different frequencies.
Figure 2: Comparison of the normalized far field components
(top: E-polarization, bottom: H-polarization); exact (blue), “phaseless
reconstruction” algorithm applied to synthetic data (red), experimental
data measured with the planar near-field test facility at DRÉ (black) and
with the infrared method (green)
Conclusion and future work
An iterative error reduction algorithm has been tested and validated on
numerical and experimental data. Both reconstructed phases and deduced
far fields show good agreements with exact results. A future field of investigations consists in adding a priori information in the reconstruction process such as antenna aperture dimensions for example.
References
[1] J. Norgard et al., “Quantitative images of antenna patterns using
infrared thermography and microwave holography”, International
Journal of Imaging Systems and Technology, vol. 11, pp. 210-218,
2000.
[2] P. Levesque, L. Leylekian, A. Déom and D. Balageas, “Latest developments in the EMIR technique of infrared imaging electromagnetic
fields”, Proc. of SPIE, Vol. 4360, pp. 48-59, 2001.
[3] N. Ribière-Tharaud et al., “Numerical and experimental assessment of a phase retrieval technique applied to planar near-field
distributions for wide band applications”, 3rd International
Conference on Electromagnetic Near-Field Characterization and
Imaging (ICONIC), pp. 194-199, St. Louis, Missouri, 2007.
Recherche Research
2009 / 2011
75
5.
ÉLECTROMAGNÉTISME
ELECTROMAGNETICS
5.2
Senseurs et capteurs micro-ondes
Microwave sensors and probes
Les micro-ondes permettent la caractérisation diélectrique (permittivité
et conductivité) des matériaux non conducteurs et leur analyse tomographique (imagerie micro-onde) fournissant ainsi des données complémentaires de celles obtenues par d'autres méthodes de contrôle non destructif
(CND) et d'analyse tomographique telles que rayons X, ultrasons, IRM,
PET... L'estimation des paramètres électromagnétiques donne accès à des
facteurs physiques et/ou physiologiques dont ils dépendent : composition,
température, teneur en eau… Nombre d'applications potentielles des
micro-ondes ont ainsi été répertoriées dans le domaine des applications
Industrielles Scientifiques et Médicales (ISM) : identification radiofréquence (sujet 1), détection d'objets enfouis ou immergés (sujet 2), détection
de défauts ou de tumeurs (sujet 3), contrôle de l'humidité, contrôle de traitements par hyperthermie… Les techniques micro-ondes ont pour points
forts : sensibilité, rapidité, innocuité. Les capteurs micro-ondes peuvent
prendre des formes variées, depuis la simple sonde de contact équipant un
banc de mesure réflectométrique, jusqu'aux caméras et scanners microondes. Lorsque les phénomènes observés sont dynamiques ou lorsque l'on
cherche à réduire le temps d'acquisition, des réseaux de capteurs sont utilisés. Chaque capteur du réseau peut être interrogé séquentiellement
grâce à un multiplexeur micro-onde ou en ayant recours à la méthode de
la diffusion modulée. Cette technique a démontré sa capacité à analyser
très rapidement de grands réseaux (sujet 4).
Microwaves make it possible to carry out the dielectric characterization
(permittivity and conductivity) of non-conducting materials and their
tomographic analysis (microwave imaging), which yield data that are complementary to those obtained by other non-destructive testing (NDT) and
tomographic analysis techniques, such as X-rays, ultrasounds, MRI, PET,
etc. An estimation of electromagnetic parameters provides the physical
and/or physiological factors they depend upon, namely composition, temperature, water content, etc. Therefore, a number of potential applications
for microwaves have been identified in the field of Industry, Science and
Medicine (ISM): radio-frequency identification (topic 1), embedded or
immersed object detection (topic 2), deficiencies or tumor detection (topic 3),
testing of moisture content, hyperthermia treatment control, etc. The strong
point of microwave techniques is their sensitivity, speed, and harmlessness.
Microwave sensors can take on various shapes: from the simple contact
probe equipping reflectometry measuring apparatus, to microwave cameras
and scanners. When observed phenomena are time-varying, or when trying
to reduce acquisition time, sensor arrays may be used. Each sensor can be
sequentially interrogated by means of a microwave multiplexor or via
modulated scattering technique. This technique has been shown to be very
effective in scanning very rapidly large arrays (Topic 4).
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Sujets
Topics
1. Antennes large bande pour les systèmes de communication sans
fil et impulsionnels
Etude et réalisation d'antennes ultra-large bande appliquées à la multiradio et aux réseaux de capteurs d'identification radiofréquence ultralarge bande (RFID-UWB). La caractéristique de rayonnement de ces
antennes est un avantage dans un environnement multi-trajet.
1. Wideband antennas for wireless and pulsed communication
systems
Study and realization of ultra-wideband antennas dedicated to multiradio and ultra-wideband radio-frequency identification sensor networks (RFID-UWB). The radiation characteristics of these antennas are
an advantage in multi-path environments.
2. Antennes actives pour la mesure de champs en immersion
Mise au point d'une antenne active compacte pour des mesures large
bande en immersion.
2. Active antennas for underwater field measurements
Development of a compact active antenna dedicated to wideband underwater field measurements.
3. Imagerie micro-onde appliquée au domaine médical
Etude de faisabilité de la détection de tumeurs du sein. Traitement spatial itératif appliqué à des données réelles obtenues sur un fantôme
inhomogène. Coopération avec l'Université de Mälardalen (Suède).
3. Medical applications of quantitative microwave imaging
Feasibility study of breast tumor detection. Spatial iterative algorithm
applied to real data collected from an inhomogeneous phantom.
Cooperation with Mälardalen University (Sweden).
4. Imagerie micro-onde temps réel pour processus dynamiques
Perfectionnement d'une caméra micro-onde à 2,45 GHz utilisant une
rétine de 32 x 32 = 1024 sondes modulées. Ses données complexes sont
traitées en temps réel jusqu'à 25 images/seconde.
4. Real-time microwave imaging for time-varying process
Improvement of a microwave camera operating at a 2.45 GHz frequency
with an array made of 32 x 32 = 1024 modulated probes. Complex data
are processed in real time up to 25 images/second.
Antoine DIET
Christophe CONESSA
Nadine JOACHIMOWICZ
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 17 64
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 15 75
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 57 27 79 75
76
5.2 Senseurs et capteurs micro-ondes
Microwave sensors and probes
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Wideband antennas for wireless communications
Antennes large bandes pour les systèmes de communication sans fil
Antoine Diet
Jocelyn Fiorina
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Résumé
Les systèmes de communications sans fil en bande S et C sont nombreux et présentent des caractéristiques variées en termes
de fréquence, débit, contrôle de puissance et schéma de modulation. L'étude des antennes à très large bande est une opportunité de relier plusieurs applications de télécommunication en considérant les interactions et la coexistence des différentes
couches physiques. Cette thématique de recherche permet de relier les aspects électromagnétiques (antennes et propagation)
aux aspects circuits et traitement du signal. Le problème central est ici l'amélioration des performances et l'adaptation aux
systèmes multi-bandes (UMTS, LTE, Wifi, WiMAX) et à large bande (IR-UWB) du « front-end » radio, composé de l'amplificateur forte puissance chargé par une antenne.
Wideband antenna design
The interest in wireless and wideband communication systems has been
discussed in [1]. This constitutes a multi-disciplinary research subject and
leads to consider, as a first step, the wideband antenna design. Designing
such an antenna is an interesting task involving an important state of the
art and a careful analysis of previous studies (Scholtz, Schekulnikoff,
Rumsey, Schantz,…) about pulsed communication and frequency independent antennas [1]. This first step has taken shape with the realization of
low-cost printed antennas displayed in Figure 1.
Figure 3: Vivaldi antennas and parametric rejection slot
RFID-UWB systems
Herein, the main idea is to consider “true” wideband systems such as those
involved in UWB. Figure 4 displayed an interesting application of UWB
transmissions which interests a lot of research fields and is the subject of
the RUWBI project [5]. The idea is to identify and localize a tagged target
by means of a pulsed based communication system involving signal processing techniques (Figure 4). Pulse generation and wideband antenna emission and reception are considered. Antenna diversity, which consists in combining different types of wideband antennas in the receiver for example, will
be also investigated.
Figure 1: Wideband bended (left) and monopole with
and without rejection (right) antennas
Measurements on these antennas give some interesting opportunities to
test omnidirectionnal profiles and rejection profiles for different types of
applications in the 1 - 6 GHz band. More recently, the impact of the frequency transfer function between two wideband printed antennas was used
to complete an analysis about multi-user interference in IR-TR-UWB systems [2]. “CST microwaves” is a particularly well suited tool for wideband
antenna design, as the latter requires a time domain analysis.
Multi-radio using wideband antennas
Wideband antennas are also interesting in the context of multi-radio front
end design (Figure 2). This is the subject of a scientific collaboration
between DRÉ/L2S and ESYCOM (EA 2452). The idea is to provide a flexible
front end in a wireless transceiver to adapt multiple standards specifications: bandwidth, frequency, averaged power and modulation schemes [3].
Figure 4: The RUWBI project
References
[1] A. Diet, A. Azoulay, A. Joisel and B. Duchêne, “A UWB micro-strip
antenna design and simulation”, European Microwave Week & European
Conference on Wireless Technology (EuMW/ECWT), pp. 1694-1697,
Manchester, UK, 2006.
[2] D. Panaitopol, J. Fiorina, A. Diet and N. Ribière-Tharaud, “A new criterion to jointly design the antenna and optimize the communication
capacity in IR-UWB”, IEEE Wireless Communications and Networking
Conference (WCNC), Budapest, Hungary, 2009.
[3] A. Diet et al., “Flexibility of class E HPA for cognitive radio”, IEEE
19th Symposium on Personal Indoor and Mobile Radio Communications,
(PIMRC), Cannes, France, 2008.
Figure 2: Front end idea for multi-radio
[4] A. Diet et al., “Front end accordability for cognitive multi-radio, using
a class E HPA and a multi-band antenna”, Asia Pacific Microwave
Conference (APMC), Hong Kong, China, 2008.
This points out the interest in designing a multi-band antenna to relax the
constraints on power amplifier circuit design. Our recent works lead to
consider a Vivaldi printed antenna (Figure 3) with a parametric rejection
slot [4].
[5] A. Diet et al., “RUWBI: Radio Frequency - Ultra Wide Band Identification”, submitted in the Projet ANR Jeunes Chercheurs framework, 2009.
Recherche Research
2009 / 2011
77
5.
ÉLECTROMAGNÉTISME
ELECTROMAGNETICS
5.3
Compatibilité électromagnétique
Electromagnetic compatibility
Ces dix dernières années, un développement technologique sans précédent
s'est produit dans l'électronique en général et plus particulièrement dans
le domaine de la radio aussi bien vis à vis du grand public que dans le
domaine professionnel.
L'environnement électromagnétique a donc fortement évolué et a modifié
le traitement des questions de compatibilité électromagnétique (CEM),
mettant assez fortement l'accent sur la compatibilité des systèmes radioélectriques.
Cette pollution électromagnétique accroît les risques de perturbations
entre systèmes et donc les risques de dysfonctionnements. Pour remédier
à cette situation, satisfaire aux normes en vigueur et réduire les coûts des
produits, il est impératif de prendre en considération l'aspect « compatibilité électromagnétique » dès la phase de conception d'un système. Ceci
implique la mise en place de méthodologies d'analyse, de prédiction des
niveaux de perturbation et de développement de spécifications de CEM
adaptées à l'évolution de l'environnement électromagnétique.
These last few years, a very important development of electronic systems
and more specifically of RF devices occurred in the general public as well
as in the professional area. The EM environment is still evolving and modifies the handling of EMC issues with a certain impact on the compatibility of the radio frequency devices. This form of pollution increases the interference probability between electronic or RF systems as well as their performance degradation.
To overcome such difficulties and to comply with the standards and reduce production costs, “electromagnetic compatibility” problems must be tackled at the system design stage. This means developing a method for analyzing and predicting the level of induced interference, as well as finding suitable techniques in order to reduce the effects of the latter and to define new
specifications compatible with the evolution of the EM environment.
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Sujets
Topics
1. Interactions entre champs électromagnétiques et structures
complexes
Modélisation 3D des couplages. Simulation hybride champ-circuit pour
les études d'immunité électromagnétique. Caractérisation du rayonnement des circuits imprimés de puissance.
1. Coupling between electromagnetic fields and complex
structures
3D modeling of electromagnetic coupling. Field - circuit hybrid simulation for electromagnetic susceptibility computations. Characterization of
fields radiated by power printed circuit boards.
2. Chambres réverbérantes
Modélisation des chambres réverbérantes. Caractérisation des champs
dans les chambres réverbérantes à brassage de modes. Estimation de la
puissance totale rayonnée par différentes sources rayonnantes.
Utilisation des chambres réverbérantes pour les études MIMO en présence de trajets multiples.
2. Reverberating chambers
Reverberation chambers modeling. Characterization of the fields in
mode-stirred reverberation chambers. Study of the total radiated power
of RF radiating devices in various transmission scenarii by means of
reverberation chambers.. Study of MIMO antennas in strong multipath
environments by means of reverberation chambers.
3. Dispositifs de mesure
Techniques de champs proches et dosimétrie.
Mesures en très basse fréquence (50Hz à 100 kHz). Développement de
méthodes de mesure du champ magnétique et électrique. Dispositifs
d'étalonnage des appareils de mesure de champ à TBF.
3. Measurement setups
Near-field techniques and dosimetry.
ELF field strength measurement. Assessment of measurement methods
of magnetic and electric fields. Development of calibration setups for
ELF measurement devices.
4. Compatibilité radioélectrique
Etudes de compatibilité de systèmes aéronautiques en bande L. Etude
de la dégradation des performances en fonction des types et des paramètres des brouilleurs co-site ou entre avions.
4. Radiofrequency compatibility (RFC)
Study of aeronautical systems compatibility in L band. Study of the performance degradation related to the type and the parameters of the interfering sources in a co-site scenario or between airplanes.
Lionel PICHON
Alain AZOULAY
Andréa COZZA
LGEP - Équipe ICHAMS
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 16 58
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 15 63
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 15 77
78
5.3 Compatibilité électromagnétique
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Generating coherent wavefronts within a reverberation chamber
Génération de fronts d'onde cohérents en chambre réverbérante
Houmam Moussa
Andrea Cozza
Michel Cauterman
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Résumé
Actuellement, les tests de compatibilité électromagnétique en chambre réverbérante permettent de savoir si un équipement
sous test (EST) résiste à une agression électromagnétique de niveau fixé ; en cas de défaillance, il est très difficile d'identifier
les points faibles de l'EST car les caractéristiques de l'onde agressive ne sont pas connues et maîtrisées. Pour répondre à ce
manque, les propriétés du retournement temporel sont ici exploitées pour générer dans la chambre réverbérante des fronts
d'ondes cohérents, similaires à ceux utilisés en chambre anéchoïque. Ce nouveau système, appelé TREC, permet de créer une
agression électromagnétique de forme et de niveau souhaités afin de tester la résistance des équipements électroniques.
La possibilité de maîtriser la direction d'arrivée, la directivité et la polarisation du front d'onde, ainsi que la forme de l'impulsion, de façon instantanée devrait permettre de définir de nouvelles procédures de test d'immunité rayonnée.
The state of the art
Results
Electromagnetic compatibility standards establish how equipments under
test (EUTs) should be tested for radiated immunity/susceptibility. This task
is currently accomplished by means of basically two main facilities, namely
anechoic chambers (ACs) and reverberation chambers (RCs). Although the
formers allow the generation of plane wavefronts easily controllable, obtaining high-intensity fields requires the use of high-end power generators that
are not widely available; at the same time, in order to test the EUT under
several directions of aggression, it is necessary to mechanically rotate the
EUT, which introduces non-negligible delays. On the other hand, RCs generate a field distribution equivalent to a superposition of a great number of
plane waves with random directions of arrival. This means that all the weaknesses of the EUT can be highlighted at the same time, which reduces the
test duration and the probability of missing an entrance point for EM aggressions. Unfortunately, these advantages are jeopardized by the fact that the
only way of knowing which part of the EUT is the cause of the weakness is
to come back to ACs. The same reasoning holds for polarization issues.
The feasibility of this technique has been demonstrated by means of numerical simulations of a quasi-2D metallic cavity. Results are displayed in
Figure 2, for two different sets of weights aj corresponding to two directions
of arrival of a wavefront converging on the EUT. It is important to note that
the two configurations were obtained just by feeding the TRM antennas with
different signals and not, as usually done, by means of mechanical or electronic switching. Thus, the modification of the aggression scenario can be
speeded up as it is based on simple signal theory techniques. Any modification, from the direction of arrival to the directivity of the wavefront (spatial
support) and the type of associated pulse, can be changed with no modification of the TREC.
Figure 2: Two examples of directive coherent wavefronts impinging
on the EUT; neither mechanical nor electronic switching is used
Perspectives
Figure 1: A schematic representation of the TREC system
Coherent wavefronts using a TREC
During this Ph.D. thesis, supported by DGA and CNRS, we have developed an alternative use of RCs, which brings together the advantages of
RCs and ACs [1]. This system, dubbed time-reversal electromagnetic
chamber (TREC), is depicted in Figure 1. It is based on a classical RC,
where a limited number of antennas (the time-reversal mirror or TRM)
have been installed. A group of locations are shown around the EUT as the
equivalent array; attention should be paid to the fact that these points do
not stand for antennas, but just represent sampling locations for the
implementation of the TREC technique [2]. The propagation inside the
TREC system is characterized through measurements of transfer functions Hij, and thanks to the time-reversal technique [3], a coherent wavefront can be generated. This operation is carried out by feeding the TRM
antennas with specific signals yi which are directly synthesized thanks to
the following formula:
where the quantities aj stand for complex weights allowing the definition
of any wavefront topography impinging on the EUT. The signal
represents the time-dependence of the excitation. It can be set to any type of
pulse-like sequences, or to pseudo-CW ones, independently from the wavefront topography.
Recherche Research
The validation of the TREC technique is currently being extended to a full
3D configuration in order to assess its ability to span all the directions of
arrival over a spherical reference system. Much importance will be given to
the possibility of controlling also the polarization of the wavefront; up to now,
this task has just undergone a partial validation. Experimental validations
will be carried out too in the near future.
References
[1] “Procédé de contrôle de la directivité et la polarisation de distributions
cohérentes de champ dans un milieu réverbérant”, Patent pending, filed
on 30 March 2009 , INPI no. 0951995.
[2] H. Moussa, A. Cozza and M. Cauterman, “Directive wavefronts inside
a time reversal electromagnetic chamber”, IEEE EMC Society
Symposium on Electromagnetic Compatibility, Austin, USA, 2009.
[3] G. Lerosey, J. de Rosny, A. Tourin, A. Derode, G. Montaldo and M. Fink,
“Time reversal of electromagnetic waves”, Physical Review Letters,
vol. 92, n° 19, 2004.
2009 / 2011
79
5.
ÉLECTROMAGNÉTISME
ELECTROMAGNETICS
5.4
Dosimétrie électromagnétique
Electromagnetic dosimetry
Le développement rapide des communications cellulaires et des réseaux
locaux sans fil ne manque pas de soulever des questions sur de possibles
effets des ondes électromagnétiques sur la santé. Des recommandations et
des normes limitent le niveau maximum d'exposition. La dosimétrie
constitue un point de passage obligé pour s'assurer du respect de ces
normes. En partenariat avec un industriel du domaine, le Département de
Recherche en Électromagnétisme s'est équipé d'une base dosimétrique
commerciale, destinée à la mesure du DAS des téléphones portables, et a
mis au point, par ailleurs, une base dosimétrique spécifique dotée de capacités d'évolution importantes. Cette base dosimétrique spécifique dispose
de performances fortement améliorées, notamment en termes de sensibilité et de rapidité. Elle permet de réaliser la dosimétrie d'objets rayonnants de faible puissance grâce à sa sensibilité. Sa rapidité et ses dimensions lui permettent d'effectuer de la dosimétrie à l'échelle du corps entier.
L'adaptation aux cas des rayonnements irréguliers et à sources multiples
liés aux nouvelles technologies est en cours.
The rapid development of cellular communications and wireless local area
network has raised many questions about the possible effects of electromagnetic waves on health. Recommendations and standards are expected to
limit the maximum exposure level. Electromagnetic dosimetry constitutes a
necessary step towards ensuring compliance with current technical standards. Within the framework of a partnership, the Département de
Recherche en Électromagnétisme was equipped with a dosimetric facility
that, more specifically, is intended for measuring the SAR of mobile phones
and developed, in addition, a specific dosimetric facility having important
capacities of evolution. This specific dosimetric facility has strongly improved performances, in particular in term of sensitivity and speed. It makes
it possible to carry out the dosimetry of radiating objects of low power
thanks to its sensitivity. Its speed and its dimensions enable it to carry out
the whole body dosimetry. The adaptation to the cases of irregular and multiple sources emissions is in progress.
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Sujets
Topics
1. Mesure de DAS d'objets rayonnants portés près du corps
Cas des téléphones portables. Cas des kits mains libres filaires : définition d'un protocole de mesure. Cas des oreillettes Bluetooth : instrumentation haute sensibilité. Modélisation numérique.
1. SAR measurement of handheld and body-mounted wireless communication devices
Case of mobile phones. Case of hands free kits: definition of a measurement protocol. Case of Bluetooth earphone: high sensitivity instrumentation. Numerical modeling.
2. Mesure de DAS d'antennes de station de base
Cas des grandes antennes extérieures. Cas des petites antennes intérieures. Accélération des mesures.
2. SAR measurement of base station antennas
Case of the large outdoor antennas. Case of the small indoor antennas.
Measurement duration decreasing.
3. Mesure de DAS de rayonnements complexes
Cas des rayonnements irréguliers. Cas des rayonnements à sources
multiples.
3. SAR measurement of complex emissions
Case of the irregular emissions. Case of the multiple sources emissions.
4. Etude de dosimètres radiofréquence et de leur usage
Caractérisation expérimentale de dosimètres radiofréquence. Influence
de l'usager sur la mesure réalisée par un dosimètre. Modélisation
numérique.
4. Study of radiofrequency dosimeters and their use
Experimental characterization of radiofrequency dosimeters. Influence
of the user on the measurement carried out by a dosimeter. Numerical
modeling.
5. Contrôle de vêtements de protection
Mesure de l'efficacité de blindage de combinaisons « étanches » aux
ondes électromagnétiques.
5. Testing protective clothing
Measuring the shielding efficiency of “ wave-proof ” textiles and work
outfits.
6. Mesures sur site
Système de mesure portable de champs électromagnétiques pour
mesures sur site. Logiciel d'analyse spectrale d'environnements électromagnétiques pollués.
6. On-site measurements
Portable equipment for broadband measurement of electro-magnetic
waves. Software for spectral analysis of polluted electromagnetic environments.
7. DASmètre individuel
Mesure sur site de la puissance rayonnée par un téléphone cellulaire.
Evaluation de l'exposition réelle de la tête de l'usager en présence d'un
téléphone portable sur le réseau.
7. Individual SARmeter
In situ measurements of the power radiated by a mobile phone.
Evaluation of the real exposure of the user head in the presence of a
mobile phone connected to the network.
Vikass MONEBHURRUN
Dominique PICARD
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 15 44
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 15 55
E mail : [email protected]
80
5.4 Dosimétrie électromagnétique
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Numerical dosimetry
Dosimétrie numérique
Vikass Monebhurrun
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Résumé
La modélisation des téléphones portables pour les calculs de débit d'absorption spécifique (DAS) constitue l'un des challenges
actuels en dosimétrie numérique. La complexité des modèles de conception assistée par ordinateur (CAO) des téléphones
portables pose régulièrement des problèmes lors de la simulation électromagnétique car ceux-ci sont initialement conçus pour
le design des téléphones. Une solution consiste à développer un équivalent simple mais néanmoins représentatif du modèle CAO.
Le modèle simplifié peut être construit lorsque la contribution électromagnétique des différents éléments composant le téléphone
portable est bien comprise.
Introduction
International standards established by the IEC and the IEEE are currently
applied for the specific absorption rate (SAR) compliance tests of mobile
phones. A standard dosimetric test facility is recommended for this purpose.
The SAR measurements are performed using the specific anthropomorphic
mannequin (SAM) head-phantom filled with tissue equivalent liquid. The
imposed rigorous measurement procedure ensures comparable results between different laboratories but it proves time-consuming and costly.
Consequently, experimental dosimetry becomes inappropriate during the
design stage of the mobile phone or for pre-compliance testing. Fast and
accurate electromagnetic simulation of mobile phones would pave the way
for numerical SAR assessment. However the accurate numerical modeling of
commercial mobile phones is a challenging task. The near-field interaction
between a commercial mobile phone and a user's head cannot be explained
by simply considering the antenna and the ground plane, e.g., a monopole
antenna over a metallic box or a planar inverted-F antenna (PIFA) over a
printed circuit board (PCB). The complexity of computer-aided design (CAD)
phone models - initially developed for mechanical engineering purposes- does
not allow straightforward electromagnetic simulations. The presence of curvatures and/or tiny or slanted elements in CAD phone models often yields
high mesh densities and the SAR calculation becomes impracticable. For efficient SAR calculations, a pre-requisite may be to develop a simplified but
nonetheless accurate numerical equivalent representative of the original
CAD model [1]. Since the near-field interaction between the mobile phone
and the head may be altered by the presence of both metallic and non-metallic elements found in the close vicinity, it becomes important to clearly
understand the electromagnetic contribution of each component of the mobile phone in order to fully account for it.
Configuration
Averaged 10 g SAR [
W/Kg ]
900 MHz/1800 MHz
Antenna+Short
0.90 / 0.80
Ant.+Sh.+Support
1.06 / 0.56
Ant.+Sh.+Sup.+Casing
1.15 / 0.45
Ant.+Sh.+Sup.+Cas.+Display
0.85 / 0.40
Ant.+Sh.+Sup.+Cas.+Disp.+Speaker
0.82 / 0.43
Ant.+Sh.+Sup.+Cas.+Disp.+Sp.+Vibrator
0.81 / 0.41
Ant.+Sh.+Sup.+Cas.+Disp.+Sp.+Vib.+Battery
0.80 / 0.39
Table I: Averaged 10 g SAR values obtained for the different test configurations at 900 MHz and 1800 MHz using a flat phantom
Results
A number of test configurations are obtained by successively adding the
different components to the bare mobile phone. The latter consists of the
antenna without the shorting pin, the PCB and the electromagnetic compatibility (EMC) shields. The averaged 10 g SAR values obtained for the
different test configurations at 900 MHz and 1800 MHz using a flat phantom are given in Table I. The metallic frame of the display has a pronounced effect on the surface current distribution and, consequently, on the
SAR value at 900 MHz. Figure 2 shows the normalized SAR distributions
obtained in the presence of the SAM phantom at 1800 MHz for the left
cheek phone position. A good agreement is obtained between the measurement and the numerical simulation results obtained with the reconstructed phone model.
Numerical modeling
Herein a PIFA-based commercial mobile phone is analyzed both numerically and experimentally. A clean numerical model of the mobile phone is
reconstructed from the original CAD model provided by the manufacturer.
The different components of the mobile phone are shown in Figure 1. The
exact values of the dielectric properties of the components are unknown
(e.g. substrate, support and casing): approximate values are therefore
used. The speaker, the vibrator and the frame of the display are metallic.
The liquid crystal display (LCD) is mounted over a small PCB. The battery is modeled as a rectangular metallic block. A commercial package of the
transmission line matrix (TLM) method is employed for the numerical
simulations.
Figure 2: SAR distribution obtained at 1800 MHz with the SAM
phantom: (a) numerical simulation (left) and measurement (right)
Conclusion and perspective
An international standardization committee is currently working towards
the development of specific numerical techniques for SAR assessment
(IEEE/ICES/TC34/SC2). The SAR calculation using a given CAD phone
model is usually not straightforward. A comprehensive analysis of the
near-field contribution of the different components of the handset may
help to construct a simplified but nevertheless representative equivalent
model for efficient SAR computations. The evaluation of the uncertainty
related to the SAR calculation is yet another important issue in numerical dosimetry.
References
Figure 1: Typical components present in commercial mobile phones.
These components are embedded in a dielectric support and covered by a
dielectric casing (not shown)
Recherche Research
[1] V. Monebhurrun, M.-F. Wong and J. Wiart, “Numerical and experimental investigations of a commercial mobile handset for SAR calculations,” in Proc. 2nd International Conference on Bioinformatics
and Biomedical Engineering (ICBBE), pp. 784-787, Shanghai, China,
2008.
2009 / 2011
81
5.
ÉLECTROMAGNÉTISME
ELECTROMAGNETICS
5.5
Problèmes inverses des ondes
Inverse wave problems
La détection et le dimensionnement d'un endommagement d'un élément
d'une centrale électrique, la localisation de structures au sein d'un soussol urbain, la recherche de mines antipersonnelles, la cartographie
d'aciers dans un béton d'ouvrage d'art, la caractérisation de milieux naturels tels que la forêt, ou artificiels tels des panneaux composites, l'imagerie d'un corps humain, la prospection géophysique à partir de la surface ou
de puits de forage sont de bons exemples de "problèmes inverses des
ondes". Il s'agit d'identifier les propriétés physiques d'objets placés dans
des environnements réalistes (une pièce de machine, un sol, un corps
humain) à partir de l'observation de leur interaction avec une onde électromagnétique ou acoustique interrogatrice. Ces problèmes inverses sont
critiques à nombre de situations en ingénierie médicale, civile et militaire, sûreté nucléaire et des transports, où les enjeux de "sécurité" sont
essentiels.
Detection and sizing of a defect affecting an element in a power plant, localization of an underground pipe in an urban environment, detection of
antipersonnel land mines, mapping of metal bars in the reinforced concrete of civil engineering works, characterization of natural media such as a
forest, or artificial ones such as composite panels, human body imaging,
geophysical prospecting from the surface or from boreholes, are all very
good examples of "inverse wave problems". The goal is to identify the physical properties of objects located in real-life environments (i.e. a machine
part, the ground, the human body, etc.) by observing their interaction with
primary electromagnetic or acoustic radiation. These inverse problems are
critical in many situations, for example, in the field of biomedical, civil and
military engineering, as well as nuclear and transport safety, where "security" is at stake.
...........................................................................
...........................................................................
Sujets
Topics
1. Evaluation de structures artificielles
Evaluation de pièces complexes, isotropes ou composites, en contexte
industriel et aéronautique, modèles et algorithmes d'inversion.
1. Evaluation of man-made structures
Evaluation of complex parts, isotropic or composite, within an industrial
or aeronautical context, models and inversion algorithms.
2. Caractérisation d'obstacles conducteurs en sous-sols
Modélisation basse fréquence d'obstacles conducteurs et leurs outils de
caractérisation.
2. Characterization of conductive obstacles in subsoils
Low-frequency modeling of conductive obstacles and their characterization tools.
3. Imageries rapides MUSIC
Méthodologies d'inversion rapide MUSIC, asymptotiques associées, et
applications.
3. Fast MUSIC imaging
Fast inversion methodologies of MUSIC type, companion asymptotics,
and applications.
4. Imagerie micro-onde du vivant
Ingénierie de la santé, imagerie du sein par caméras micro-ondes.
4. Microwave imaging in life sciences
Health engineering, microwave breast imaging.
5. Approches bayésiennes en régime micro-onde
Imagerie d'objets hétérogènes en micro-onde faisant appel à des
champs de Markov.
5. Bayesian approaches in the microwave regime
Imaging of heterogeneous objects in the microwave regime using Markov
fields.
6. Détection radar en forêt
Caractérisation et inversion du signal radar rétrodiffusé par des cibles
en forêt, impliquant des méthodes DORT.
6. Radar detection in forests
Characterization and inversion of radar signals backscattered by targets
in forests, involving DORT methods.
Bernard DUCHÊNE
Dominique LESSELIER
Marc LAMBERT
Département de Recherche
en Électromagnétisme
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 15 57
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 15 61
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 15 67
82
5.5 Problèmes inverses des ondes
Inverse wave problems
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Olivier Féron
Bernard Duchêne
Ali Mohammad-Djafari
Bayesian approach in microwave imaging
Approche bayésienne en imagerie micro-onde
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Résumé
Nous abordons ici un problème inverse de diffraction électromagnétique où le but est de caractériser un objet inconnu à par
tir de la mesure du champ qui résulte de son interaction avec une onde interrogatrice connue dans le domaine des micro-ondes.
La modélisation de cette interaction est menée à l'aide d'une représentation intégrale des champs dans une configuration
2D-TM. Le problème inverse, non linéaire et mal posé, est abordé à l'aide d'un algorithme itératif dédié aux objets composés
d'un nombre fini de matériaux homogènes ; ceci signifie que nous introduisons, dans l'algorithme d'inversion, l'information
a priori que l'image de contraste à reconstruire est constituée d'un nombre fini de régions homogènes et compactes. Cette
information a priori est introduite, dans un cadre d'estimation bayésien, via un champ de Gauss - Markov pour la distribution du contraste et un champ de Potts - Markov caché pour les classes de matériaux. Nous exprimons les distributions
aposteriori de toutes les inconnues et, ensuite, nous utilisons un algorithme d'échantillonnage de Gibbs pour tirer des
échantillons et estimer la moyenne a posteriori des grandeurs inconnues.
Introduction
We consider, herein, the resolution, in the Bayesian estimation framework, of
an electromagnetic inverse scattering problem where the goal is to characterize an unknown object from measurements of the scattered field that
results from its interaction with a known interrogating (or incident) wave.
This kind of problem can be encountered in many applications where the
question is to detect, to localize, to control, to characterize or to image an
object or a structure whose physical parameters are more or less known, and
even not at all, this being usually made by means of a radiation whose wavelength is of the same order of magnitude that the characteristic dimensions
of the object or of the structure inhomogeneities. In these conditions, the
wave-object interaction gives rise to diffraction phenomena whose rather
involved modeling cannot be dealt with by means of high or low frequency
approximations and usually leads to non-linear problems due to multiple
scattering. It can be noted that, depending upon the frequency of the interrogating wave, the applications lie in very different domains such as civil
engineering, geophysical prospecting, medical imaging, target detection or
radar imaging. As for us, we are interested in microwave imaging whose
most usual applications are non-destructive testing and dielectric or composite material characterization, civil engineering work control, ground penetrating radar for the near underground exploration (depth of about 1 meter)
and biomedical imaging. In this last domain, particularly, microwaves give
rise to a great interest from the international community for the breast cancer detection as, in this frequency band, tumors have a strong dielectric
contrast with respect to sound tissues, which bodes better detection capabilities for the microwaves than for the usual imaging means such as X rays.
nistic framework which consists in minimizing a two-term cost functional by
alternately updating the contrast sources and the contrast with a gradientbased method. The deterministic framework does not prevent to introduce
a priori information; for example, when the objects are known to be homogeneous, this a priori information can be accounted for by means of a multiplicative constraint or directly in the expression of the sought contrast. However,
when the object is made of a finite number of different materials, as considered herein, this a priori information is much more easily introduced in the statistical framework of the Bayesian estimation [1, 2]. The contrast distribution
can then be modeled as a Gaussian mixture where each Gaussian law represents a class of materials and the compactness of the regions can be accounted
for by means of a hidden Markov model. A Gibbs sampling algorithm can then
be used to estimate the posterior means of the unknown variables. The interest of this method lies in the fact that we estimate not only the contrast distribution but also its segmentation in regions and the parameters (means and
variances) of the contrast in each of the latter.
Results
This algorithm has been applied to data (courtesy of K. Belkebir and
M. Saillard) coming from a laboratory controlled experiment led at the
Institut Fresnel (Marseille). They concern two objects, a dielectric one made
of two different dielectric materials and an hybrid one made of a dielectric
and a metallic part. Although the latter represents a challenging case for
inversion algorithms, both of them are well retrieved with good values of the
contrast. The algorithm also succeeds in retrieving homogeneous regions
(the classes) corresponding to the different parts.
Gauss-Markov-Potts prior for Bayesian inversion
Solving an inverse problem means obviously that the associated direct problem has been previously modeled. In the latter, the incident wave and the
object are known and the goal is to compute the scattered field which results
from their interaction. This modeling is based, herein, upon an integral
representation of the fields where the scattered fields appear to be radiated
by fictitious Huygens-type sources induced within the object by the incident
wave. These sources are equal to the total field times a contrast function (or
object function) representative of the electromagnetic parameters of the
object. The problem then consists in retrieving this contrast function from
the measured scattered fields through the inversion of two coupled integral
equations. This problem is nonlinear and is also well-known to be ill-posed.
This inherent ill-posedness of the inverse problem requires a regularization
of the latter prior to its resolution, which consists generally in introducing
any a priori information available on the object. The Bayesian estimation
framework allows to take easily into account such an information. It can be
noted that, in this framework, several approaches can be adopted, depending upon the choice of the a priori model and of the estimator. Herein, we
choose a compound Markov model with hidden variables as a priori model
and the so-called posterior mean, which is the expectation of the posterior
distribution, as estimator.
As underlined above, the inverse scattering problem considered herein is
nonlinear. It is dealt with through two coupled integral equations expressed
in terms of the contrast sources in a way similar to that of the contrast source inversion method (CSI), an iterative technique developed in a determi-
Recherche Research
Figure 1: Reconstructions of a dielectric (top) and an hybrid object (down);
the real object (left column), the class (2nd column), the real part (3rd
column) and the imaginary part (right column) of the contrast
References
[1] O. Féron, B. Duchêne and A. Mohammad-Djafari, “Microwave imaging
of inhomogeneous objects made of a finite number of dielectric and
conductive materials from experimental data”, Inverse Problems, vol. 21,
n°6, pp. S95-S115, 2005.
[2] O. Féron, B. Duchêne and A. Mohammad-Djafari, “Approche bayésienne en imagerie micro-onde”, in Problèmes inverses en imagerie et en
vision, A. Mohammad-Djafari Ed., Hermes Science Publishing, Paris, to
be published 2009.
2009 / 2011
83
5.
ÉLECTROMAGNÉTISME
ELECTROMAGNETICS
5.6
Électromagnétisme des milieux complexes
Electromagnetics of complex media
Les milieux complexes, dont en premier lieu les matériaux composites,
jouent un rôle important dans l'élaboration de nouveaux dispositifs et
composants. L'étude du comportement du champ électromagnétique dans
les milieux complexes est aujourd'hui un domaine de recherche technologique prometteur, avec un éventail d'applications allant des dispositifs
micro-ondes aux systèmes optiques. Des méthodes numériques sont développées pour traiter les problèmes de propagation dans ces milieux ainsi
qu'un banc expérimental (sujet 1).
Pour la caractérisation de ces milieux, des méthodes originales de mesure
large bande (5 Hz - 57 GHz) des paramètres constitutifs (permittivité, perméabilité, conductivité) ont été développées. Les applications sont nombreuses : l'étude de films (électrode pour batterie - sujet 2), le traitement
thermique micro-onde (chimie, systèmes biologiques - sujet 3), l'étude de
matériaux actifs (furtivité - sujet 4), l'étude in situ de liquides pétroliers
(capteur - sujet 5), la diffusion par les forêts (sujet 6).
Electromagnetic complex materials will play a key role in providing new
functionalities and enhancements to the future electronic devices and components. We develop various numerical methods for modeling the problems
of wave propagation in these complex media. Free space characterization
methods are also developed (topic 1).
Original methods for measuring the constitutive parameters (i.e. permittivity tensor, permeability, and conductivity) in a broad-band frequency (ranging from 5 Hz to 57 GHz) have been developed. They are applied to various
subjects: study of films (electrode of battery - topic 2), behavior under
microwave thermal processing (i.e. sintering, behavior of biological tissues
- topic 3), active materials (anti-radar applications - topic 4), study on physical phenomena in material, in situ control of petroleum (sensor - topic 5),
forest scattering modeling (topic 6).
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...........................................................................
Sujets
Topics
1. Modélisation et caractérisation de métamatériaux
L'objectif est d'élaborer de nouveaux outils de modélisation dédiés aux
matériaux complexes (e.g. métamatériaux, matériaux chiraux, cristaux
photoniques…). Un banc de caractérisation en espace libre a été récemment implémenté.
1. Electromagnetic modeling of metamaterials
2. Films minces et matériaux massifs
Caractérisations de matériaux en couches minces ou épaisses pour la
microélectronique, la CEM, les électrodes de batteries.
3. Contrôle de processus sous micro-ondes, traitement thermique micro-ondes
Instrumentation pour l'étude du couplage entre le champ électromagnétique et les systèmes moléculaires et ioniques, biologiques et chimiques. Traitement thermique micro-ondes.
4. Matériaux actifs
Contrôle électrique ou thermique de la réponse électromagnétique de
matériaux.
5. Capteur micro-ondes
Développement d'un capteur pour le contrôle de fluides en écoulement.
6. Diffusion par les forêts
Un code EM asymptotique a été développé qui permet de simuler la diffusion multistatique par des forêts en bande P et L (entre 300 MHz et
2 GHz). Ce code a fait l'objet de nombreuses validations avec des données réelles « indoor » et « outdoor ».
Un nouveau processeur SAR a été mis au point pour détecter des cibles
cachées dans les milieux forestiers. Il s'appuie sur les différences caractéristiques existant entre la diffusion par un tronc et par une plaque
métallique, élément canonique d'une cible manufacturée.
La prise en compte de la polarisation est actuellement implémentée
pour améliorer encore les performances de détection.
Development and test novel generation of tools for modeling complex
electromagnetic materials (e.g. Metamaterials, chiral materials, photonic
crystals…). A free space characterization bench is also implemented.
2. Thin films or massive materials characterization
Development of broad-band measurement methods to study thin films or
massive materials for microelectronics, EMC, batteries.
3. Process control under microwaves and microwave thermal processing
Instrumentation for studying the coupling between electromagnetic field
and molecular / ionic systems / chemical and biological systems.
Thermal processing using microwaves.
4. Active materials
Application to the electric control of electromagnetic responses of materials.
5. Microwave sensor
Study and development of a sensor to check the flowing of fluids.
6. Forest scattering modeling
An asymptotic EM code has been developed to simulate the multistatic
scattering by forests at P and L bands (from 300 MHz to 2 GHz). This
code has been widely validated using indoor and outdoor radar data.
A new SAR processor has been developed to detect a Man-Made-Target
(MMT) hidden beneath foliage. This tool relies on the differences between
the scattering by a trunk and a metallic plate, seen as a canonical element for the MMT.
The polarization properties are now studied to further improve the detection performance.
Saïd ZOUHDI
Olivier DUBRUNFAUT
Olivier MEYER
Laetitia THIRION-LEFEVRE
Sujet 1 / Topic 1
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 16 60
Sujet 2 - 5 / Topics 2 - 5
LGEP - Équipe MDMI
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 16 75
LGEP - Équipe MDMI
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 16 75
Sujet 6 / Topic 6
SONDRA
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 18 12
84
5.6 Électromagnétisme des milieux complexes
Electromagnetics of complex media
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Electromagnetic characterization of complex structures
Caractérisation électromagnétique de structures complexes
Hulusi Acikgoz
Lionel Pichon
Olivier Meyer
Yann Le Bihan
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Abstract
Une méthodologie pour la caractérisation électromagnétique de structures complexes basée sur la combinaison des réseaux
de neurones (RN) et de la méthode des éléments finis (MEF) est présentée. La MEF est utilisée pour créer les bases de données
nécessaires aux RN. L'exemple d'une cellule permettant de déterminer la permittivité d'un matériau illustre cette méthode.
Des procédures ont été développées pour optimiser les bases de données nécessaires à l'apprentissage des RN et s'assurer de
la bonne capacité de généralisation de ceux-ci.
Introduction
The in situ (e.g. sensor applications) or ex situ (e.g. material characterisation) determination of permittivity of dielectric materials can be a difficult
problem depending on the complexity of the structure and the measurement
frequency. The direct problem, i.e. the expression of the observation (e.g.
sensor admittance) versus the measurand (e.g. permittivity), is then often
solved with numerical methods. The inverse problem (e.g. permittivity versus the admittance) can be solved with iterative methods but they are computationally expensive. We propose then a method using numerical methods
associated with an inversion procedure based on neural networks (NN).
Method
The approach proposed is based on the combination of NN and finite element method (FEM). The FEM is a robust and versatile computational
method that can simulate the physical behaviour of complex structures. It
is used to provide for example the equivalent admittance of the structure by
carrying out the direct problem. Thus, the FEM permits to be unrestricted
on specific materials and structures. The FEM provides the training data
set required for the NN internal parameter adjustment. The data set is
constituted of input (e.g. complex admittance, frequency) and output (e.g.
both real and imaginary parts of the complex permittivity) pairs. MultiLayers Perceptron NN are used for the inverse problem. When designing
NN, there are two important steps. The first is related to the building of the
training data set which must allows representing at the best the physical
behaviour of the system. A method for designing optimal data bases thanks
to a meshing refinement of the measurand space was elaborated [1]. The
second problem is related to the training of the NN. Indeed, the NN must
not only “learn” correctly the training data but most of all be able to estimate new data not included in the training set (generalisation capability).
A regularization method based on a Bayesian rule was implemented in
order to enhance the generalisation capability of the designed NN [2].
Example
The validity of the proposed NN-based inversion method is assessed by
using different characterisation protocols developed in the laboratory
having no or restricted analytic solution. We present as an example a characterisation cell consisting in a junction between a coaxial waveguide and
a circular waveguide which is filled in an inhomogeneous way. This means
that the material under test is located at the continuity of the inner conductor and that it is held up by a Teflon crown (permittivity = 2.1) (figure. 1).
Figure 2: Permittivity of ethanol computed from admittance with
iterative method and with FEM/NN method
Figure 2 shows the good agreement between NN and reference iterative
inversion results.
Conclusion
The interest of NN inversion associated to numerical simulations in microwave dielectric characterization has been shown. NN are good candidates to
solve complex inverse problems for structures having no analytical solutions. This methodology has already been applied to a multiphase flow sensor [3].
Tools have been developed allowing to simplify the elaboration of the NN
inversion procedure and to improve its performances. The first one allows to
create optimized data base for the NN training. The second one consists in
a Bayesian regularisation during the NN training process allowing to make
for the good generalisation of the designed NN.
References
[1] H. Acikgoz, L. Santandrea, Y. Le Bihan, S. Gyimothy, J. Pavo, O. Meyer,
L. Pichon, “Generation and use of optimized databases in microwave characterization”, in IET Science, Measurement & Technology, vol. 2, pp. 467473, 2008.
Figure 1: Measuring cell
Various impedance and network analysers (Agilent 4294A, 4291A,
HP8510B, and E8364B) are available at LGEP in a broadband frequency.
In this example, the whole device is connected to an impedance analyser
4291 measuring the admittance of the cell. Inversion results obtained with
NN (from 1 MHz to 1.8 GHz) are presented and compared with other results
obtained using an iterative inversion procedure (figure 2).
Recherche Research
[2] H. Acikgoz, Y. Le Bihan, O. Meyer, L. Pichon, “Microwave
Characterization of Dielectric Materials using Bayesian Neural
Networks”, in Progress In Electromagnetics Research C, vol. 3, pp. 169182, 2008.
[3] H. Acikgoz, B. Jannier, Y. Le Bihan, O. Dubrunfaut, O. Meyer,
L. Pichon, “Direct and inverse modeling of a microwave sensor determining the proportion of fluids in a pipeline”, in IEEE trans. on Magnetics,
vol.45, pp. 1510-1513, 2009.
2009 / 2011
85
5.
ÉLECTROMAGNÉTISME
ELECTROMAGNETICS
5.7
Nouveaux concepts d'antennes réseau
New concepts of phased array antenna
L'objectif premier des études d'antennes porte sur l'amélioration des performances des radars. Pour ce faire, deux thématiques sont abordées. La
première vise à étudier de nouvelles plateformes d'accueil pour accueillir
des antennes réseaux les plus grandes possibles. En effet, la résolution
azimutale d'un radar est directement proportionnelle à la taille de l'antenne. Ces grandes plateformes présentent la plupart du temps des géométries non linéaires, qui peuvent de surcroît varier avec le temps. Elles
peuvent de plus requérir des antennes spécifiques (antenne et alimentation coplanaires, pas de possibilité d'installer un plan de masse,…). Le
second axe traite des techniques de mises en réseau. L'objectif est ici
d'améliorer les performances d'une antenne réseau, en terme de pureté de
polarisation, de largeur de bande etc., sans modifier l'antenne de base (et
donc de préférence en utilisant des antennes simples et de faible coût).
This theme covers two research axes, which both aims at enhancing the
radar capabilities. The first consists in studying new platforms to receive
very large antenna arrays. As the radar azimuthal resolution is directly
related to the antenna size, identifying large receiving platforms is of a
great interest. These platforms are usually non linear, with a shape that
can change with time. They can also implies some strong additional requirements, such as a coplanar feeding, the impossibility to have a ground
plane and so on. The second axis aims at developing new techniques to put
antennas in arrays in order to get arrays with dual polarization capabilities. This is done without any modification of the elementary antenna (and
as such, using simple and low cost antennas).
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Sujets
Topics
1. Grands dirigeables en tant que grande antenne conforme
Les dirigeables à hautes altitudes sont en développement dans plusieurs pays. Evoluant dans la stratosphère, à 20 km du sol, ils présentent une grande surface d'accueil (environ 150m de long), permettant
donc d'accueillir de grands réseaux. De plus, grâce à leur altitude, ils
permettent de couvrir de grandes zones, à un coût bien moindre que
celui d'un satellite. Par contre, leur capacité d'emport est limité et les
antennes doivent être extrêmement fines tout en se conformant à la
surface du dirigeable.
1. Large airships as a large conformal antenna array
High Altitude Airships are in development in various countries. At an
altitude of 20km, they offer a wide platform (about 150m long) to put
large antenna arrays. Furthermore, thanks to this altitude, they can
cover large area, at a cost much lower than that of a satellite. However,
their payload is limited and the antennas have to be extremely thin and
conformed to the skin of the airship.
2. Antennes flottantes pour radar à onde de surface
Remarquable en termes de détection longue portée et basse altitude,
médiocre en termes de résolution, le radar à onde de surface est l'objet
ici de travaux concernant le déploiement de son réseau d'antennes sur
des bouées, ce qui permettrait d'accroitre sa résolution en azimut. Aux
problèmes de modélisation (couplage avec la mer, mouvements d'antenne) se rajoute un problème de calibration de l'antenne, continûment
affectée de déformations (déformations spatio-temporelles).
3. Développement d'antennes réseaux large bande à double polarisation
L'antenne spirale d'Archimède est une antenne très large bande présentant une bonne pureté de polarisation. Cependant, sa mise en
réseau pose des problèmes ardus. En effet, dans un réseau classique, sa
fréquence de fonctionnement basse est directement proportionnelle à sa
taille alors la distance entre deux antennes fixe la fréquence de fonctionnement haute du réseau. Si l'on souhaite les deux polarisations, la
bande passante est alors nulle. Des techniques pour permettre la réalisation de ces antennes réseaux avec les deux polarisations sont développées, le réseau fonctionnant sur deux octaves complètes (dépointable
sur 60°).
Régis GUINVARC'H
SONDRA
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 18 11
86
2. Sea floating antenna for HFSWR
Efficient in terms of long range and low altitude coverage, although poor
in terms of resolution, a new concept of surface waves radar is studied,
based on sea floating array of antennas. The concept allows for a better
azimuth resolution. Two main problems are on study: first, modeling of
the antenna (including its interaction with the sea surface); second, the
array calibration must be achieved, with consideration of the space-time
deformations of the array.
3. New techniques to put antennas in arrays
The Archimedean spiral antenna is a very wide band antenna with a good
polarization. However, its use in array raises some hard issues. In a standard
array, its low frequency limit is directly proportional to its size whereas the
distance between two antennas fixes the upper frequency of the array. If one
wants to design a dual polarization array, then the bandwidth is zero. New
techniques have been introduced to enhance both the lower and the upper
limits of the bandwidth. This leads to phased arrays with a two octave bandwidth, steerable over 60°.
5.7 Nouveaux concepts d'antennes réseau
New concepts of phased array antenna
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Coplanar feeding solutions for spiral antenna
Solution d'alimentation coplanaire pour antenne spirale
Karim Louertani
Marc Hélier
Régis Guinvarc'h
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Résumé
L'antenne spirale d'Archimède est un excellent élément rayonnant pour des applications nécessitant une large bande de
fréquences ainsi qu'une polarisation circulaire. Dans la plupart des cas, l'alimentation se fait au centre de l'antenne spirale.
Cependant, certains environnements interdisent un accès au centre de l'antenne. Cela est notamment le cas des plateformes
aéroportée tel que les dirigeables. Une antenne spirale alimentée par l'extérieur est présentée, son rayonnement est similaire à
celui de la spirale classique.
Introduction
Results
Spiral antenna [1] [2] is well known to be suitable for many applications
requiring a large bandwidth and circular polarization (Right Hand Circular
Polarization and/or Left Hand Circular Polarization). In most cases, the spiral antenna is fed at the center. However, it is not always possible for the
feed to reach the center of the antenna. Thus, it could be interesting to feed
the device in another way. One possibility is to design an external feed.
Studies have been done in this direction in order to control the polarization
at the cost of the quality of the far field pattern. Some designs require the
use of resistive loads [3] which affects the efficiency. For the classical case of
the center-fed spiral antenna, each arm is fed out-of-phase. As a result, the
current distribution is symmetric about the center on the antenna. In order
to keep the characteristics of the Archimedean spiral antenna, the new
design must have a symmetrical current distribution. This condition has
been applied to the geometry and to the feeding in order to design the new
antenna. The antenna is studied without a ground plane.
This antenna is studied using the software Feko based on the method of
moments (MoM). For all simulation results, the 2x2 arms spiral antenna is
compared to the classical two arms center-fed Archimedean spiral antenna
with the same diameter. The reflection coefficients (S11) are computed for a
reference impedance of 200 ohms for both antennas.
Figure 3: Total gain in dBi of the 2x2 antenna
Figure 1: Example of an airship with a spiral antenna array [4]
Antenna design
The new design is presented in Figure 2. This spiral antenna is composed of
four arms winded two by two around the center and ending by a short
straight line to reach one of the feed points. Each arm has three turns and
has a width w = 3.4 mm. The space s between two arms is equal to 1/3 of the
width of an arm, hence s = 1.13 mm. This results in an antenna diameter D
of 12.5 cm. This design is chosen to be geometrically symmetric about its
center as for the classical spiral antenna.
For the 2x2 spiral antenna, since the sources are symmetric in position and
in feeding, the reflection coefficient is the same for the two ports. With an
identical diameter, the 2x2 arms spiral antenna exhibits a reflection coefficient lower than -10 dB from 650 MHz (except from 770 MHz to 830 MHz
where the S11 is lower than -8 dB) while the Archimedean spiral antenna
radiates above 800 MHz. Thus, we obtain an extension of around 150 MHz
on the functional bandwidth. This extension is particularly interesting
when the antenna is used in an array. For a half wavelength spaced array,
this antenna improves the bandwidth by around 37.5%. Figure 3 shows the
total gain in dBi of the 2x2 arms spiral antenna at 800 MHz, 900 MHz and
1 GHz for 0 = [0° , 360°[.. As for the classical center-fed antenna, the radiation pattern is symmetric about the antenna plane and remains constant
over the frequency range. However, the 2x2 arms spiral antenna radiates a
circular polarization only for a narrow band. This is partly due to the short
lengths of the arms that creates reflection in the center of the spiral. This
in turn gives rise to a cross-polarization that diminishes the Axial Ratio
(AR). Optimization of the center of the antenna could reduce these reflections. This can be done by adding resistive loads.
References
[1] J. D. Kraus and R. J Marhefka. Antennas for all applications. Mc Graw
Hill Third Edition, 2002.
[2] R. G. Corzine and J. A. Mosko. Four-Arm Spiral Antennas. Artech
House. 1990.
Figure 2: Design of the 2x2 spiral antenna and repartition
of the currents
Two sources are used to feed the spiral antenna. Each source is connected
to two arms and provides a balanced signal (i.e. the two arms are fed out-ofphase). Moreover the two sources are out-of-phase. Hence the current distribution is symmetric on the entire surface of the antenna.
Recherche Research
[3] K. Louertani, R. Guinvarc'h, N. Ribière-Tharaud and M. Darces,
Design of a spiral antenna with coplanar feeding solution, IEEE antenna
and Propagation Society International Symposium, July 2008.
[4] F. Chauvet, R. Guinvarc'h, and M. Hélier, “Approximated method
neglecting coupling for conformal array,” Applied Computational
Electromagnetics Society Journal, Special Issue on ACES 2006
Conference, no. 1, pp. 105-11, March 2007.
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87
88
6. MICROÉLECTRONIQUE
ET PHOTONIQUE
6
89
6.
6.1
Architectures de circuits mixtes et de microsystèmes
Architectures of mixed-signal integrated circuits and
microsystems
La réduction des coûts, stratégie fondamentale de la compétitivité, se traduit dans le secteur de l'électronique par une pression considérable tant
sur les technologies que sur les systèmes. Dans le même temps, la mise en
œuvre de nouvelles technologies devient de plus en plus risquée en raison
du niveau d'investissements requis, tandis que la complexification inexorable des systèmes conduit à une exigence de plus en plus forte sur les
méthodes de conception. Dès lors, les questions suivantes se posent à l'industriel : comment tirer le meilleur parti des technologies ? Comment s'ouvrir à de nouvelles applications ? Comment concevoir des produits toujours plus performants et innovants notamment sur le plan de la rapidité,
de l'encombrement, de la robustesse vis-à-vis de perturbations, de la
consommation électrique…?
In the field of electronics, reduction of the costs, fundamental strategy of
competitiveness, leads to a considerable pressure on technologies as well as
on systems. Moreover, the implementation of new technologies becomes
increasingly risky because of the required amount of investments, while the
inevitable complexification of systems leads to increasingly strong requirements on design methods. Consequently, the following questions arise: how
to take the best advantage from existing technologies? How to get implicated in new applications? How to design new, more efficient products, which
are innovative with respect to speed, bulk, robustness towards perturbations, power requirements… ?
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Sujets
Topics
1. Numérisation de signaux rapides
Conception d'architectures de CAN Sigma-Delta passe bande, rapides,
à filtres continus, pour des applications radiofréquences en téléphonie,
radar ou instrumentation. Recherche de solutions utilisant des filtres
GmC, LC ou RC intégrés, et à ondes de surface (S.A.W, B.A.W, Ondes de
Lamb).
Études d'architectures originales de numérisation pour la radio logicielle (voir 4.6 « Systèmes de numérisation »).
1. Analog to Digital Conversion of HF signals
Design of fast continuous bandpass Sigma-Delta ADCs for radiofrequency applications (telephony, radar, instrumentation).
Research of solutions involving Gm-C filters, integrated LC or RC filters,
SAW, BAW, Lamb Waves Filters.
Original ADC architectures design for radio software applications (see
4.6 “Digitization systems”).
2. Conception des MEMS et NEMS
Méthodes d'estimation de paramètres à partir d'observations binaires :
applications au test bas-coût des MEMS et des convertisseurs SigmaDelta.
Conception d'outils d'analyse des MEMS résonants non-linéaires.
Conception d'architectures robustes intégrables pour l'actionnement et
la détection des structures nano-mécaniques résonantes.
2. MEMS and NEMS design
Parameter estimation methods based on binary observations: application to low-cost BIST of MEMS and Sigma-Delta converters.
Development of analysis tools for nonlinear resonant MEMS.
Design of robust integration-oriented architectures for sensing and
actuating resonant nano-mechanical structures.
3. Design and implementation of specific integrated circuits
Design of mixed signal integrated circuits in GaAs or CMOS technology.
3. Conception et réalisation de circuits intégrés spécifiques
Conception de circuits mixtes en technologie AsGa ou CMOS.
90
Richard KIELBASA
Philippe BENABES
Jérôme JUILLARD
Département Signaux
et Systèmes Électroniques
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 14 03
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 14 19
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 14 08
6.1 Architextures de circuits mixtes et de microsystèmes
Architectures of mixed-signal integrated circuits and microsystems
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Phase stability enhancement of a NEMS oscillator with electrostatic
and mechanical nonlinearities
Amélioration de la stabilité en phase d'un oscillateur NEMS
à l'aide de non-linéarités mécaniques et électrostatiques
Jérôme Juillard
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Résumé
On montre qu'en utilisant deux non-linéarités de comportements opposés (adoucissant et durcissant), il est possible d'actionner un oscillateur NEMS à une grande amplitude tout en préservant une bonne stabilité en phase. On étudie le cas d'un système bouclé consistant en une structure capacitive actionnée par impulsions, où le durcissement dû au phénomène de Duffing est
compensé localement par la polarisation électrostatique. Cette analyse est validée par la simulation transitoire du système nonlinéaire.
Introduction
Results
It is a challenge to achieve large-amplitude motion of NEMS oscillators
without increasing their phase noise [1]. On one hand, achieving large oscillation amplitude leads to better SNR and, thus, simplifies the design of the
electronic feedback loop. On the other hand, it results in a nonlinear
frequency-amplitude relationship: for example, the frequency instability of
a Duffing oscillator is proportional to its oscillation amplitude. In this paper,
we show how to achieve large-amplitude oscillation and good frequency stability in a NEMS oscillator: the governing idea is to use a softening nonlinearity to locally balance the hardening behaviour of the Duffing nonlinearity for a given motion amplitude. This design approach is relevant for most
NEMS frequency-reference applications.
Similar analyses can be made in the case of flexible structures; although
they are not tractable analytically, they lead to results that are qualitatively similar to (1-2).
Frequency stability vs. amplitude
Analysis
We study the case when the softening behaviour is obtained via electrostatic biasing. The capacitive detection and actuation scheme is similar to
the one in [2] (Fig. 1).
Oscillation amplitude A
Figure 2: Simulated frequency stability of the M&NEMS structure
under a 12V bias.
Figure 1: The moving structure (in green) is the midpoint of a biased
capacitive half-bridge. The amplifier's output voltage is proportional to the
charge of the moving electrode. Positive or negative pulses are delivered to
the central electrode when Vout crosses zero [2-3]. Measurement noise is
responsible for short-term frequency instability.
This feedback scheme ensures that the system oscillates and is stable, even
beyond the critical Duffing amplitude [3-4]. Considering the simpler case of
parallel-plate actuation, we use describing function analysis to show that the
self-oscillation pulsation
of the closed-loop system is given by
, (1)
where
is the natural pulsation of the resonant structure, A is the oscillation amplitude, normalized with respect to the electrostatic gap, and
and
are positive design-dependent coefficients respectively representing the strength of the Duffing hardening and that of the electrostatic softening. From (1), we establish that the quantity
when
A equals:
These theoretical results are compared with simulations, in the case of the
resonant structure developed in the ANR-funded M&NEMS project
(Fig. 2). The measurement noise is white and has a uniform distribution.
Each point of the curve corresponds to one nonlinear transient simulation
of the closed-loop system, with a pulse amplitude varying between 10mV
and 290mV. The relative error is defined as the ratio of the estimated standard deviation of the pulsation to its estimated mean. It is minimal close
to the optimal oscillation amplitude predicted by our work,
.
For small pulse amplitudes (and, thus, small oscillation amplitudes), the
detected signal is drowned in the measurement noise, resulting in poor
frequency stability.
References
[1] Feng X.L., “Phase noise and frequency stability of very-high frequency silicon nanowire nanomechanical resonators”, 14th
International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and
Microsystems, pp. 327-30, 2007.
[2] Colinet E. et al., “Actuation of resonant MEMS using short pulsed
forces”, Sensors and Actuators A, vol. 115 (2004), pp. 118-125.
[3] Juillard J. et al., “From MEMS to NEMS: closed-loop actuation of
resonant beams beyond the critical Duffing amplitude”, 7th IEEE
Conference on Sensors, 2008, pp 510-513.
, (2)
Thus, provided the structure is designed so that
, there exists
an optimal oscillation amplitude around which amplitude perturbations
have little impact on the value of . In order to ensure a large SNR, Aopt
should be as large as possible, but safely maintained below Api , for which
electrostatic pull-in [5] occurs.
Recherche Research
[4] Kaajakari V. et al., “Nonlinear limits for single-crystal silicon
microresonators”, J. MEMS, vol. 13 (2004), pp. 715-724.
[5] Elata D., “On the static and dynamic response of electrostatic
actuators”, Bulletin of the Polish Academy of Sciences, Technical
Sciences, vol. 53, p 373-84.
2009 / 2011
91
6.
6.2
Intégration d'algorithmes et systèmes électroniques
Algorithm integration and electronic systems
L'évolution tout à fait considérable des technologies de l'électronique
moderne (circuits intégrés silicium notamment) permet la réalisation de
systèmes électroniques d'une très grande complexité satisfaisant de multiples critères : grande vitesse d'exécution, encombrement réduit, faible
consommation, coûts acceptables, fiabilité accrue...
Les problèmes rencontrés au niveau de la conception d'un équipement
sont liés :
- à la nécessaire adaptation des différents algorithmes devant être intégrés sur des architectures novatrices qu'il faut imaginer en respectant
des contraintes hiérarchisées (coût, rapidité, encombrement, consommation, robustesse à l'environnement,...) ;
- au choix optimum des composants les plus adaptés en fonction des
contraintes imposées (Processeurs, DSP, SOC, ASIC, FPGA).
Considerable advances in modern electronic technology (in particular, integrated circuits on silicon) have made it possible to develop complex electronic systems capable of meeting multiple requirements: high speed of execution, small overall dimensions, low power consumption, acceptable costs,
increased reliability, etc.
Problems encountered with equipment design are mostly related to:
- Need for adapting various algorithms requiring integration on innovative architectures, which may be envisaged while maintaining hierarchical
constraints (i.e. cost, speed, obstruction, consumption, robustness with the
environment, etc.);
- Optimum choice of the most suitable components according to the imposed constraints (Processors, DSP, SOC, ASIC, FPGA).
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Sujets
Topics
1. Opérateurs numériques rapides
Conception et intégration d'opérateurs arithmétiques dans les réels et
dans les corps de Galois.
Conception et intégration d'opérateurs pour le traitement du signal :
transformateurs de Fourier et corrélateurs, opérateurs CORDIC.
1. Fast numerical operators
Design and integration of arithmetic operators in real and Galois fields.
Design and integration of operators for digital signal processing: fast
Fourier transformers and fast correlation function, CORDIC operators.
2. Plateforme matérielle reconfigurable
Etude de nouvelles architectures matérielles pour le traitement du
signal basées notamment sur l'utilisation des technologies FPGA reconfigurables partiellement et dynamiquement.
Applications à la « radio logicielle » et à la conception des nouveaux terminaux multi-standards dynamiquement reconfigurables.
3. Electronique pour les communications numériques
Développement de plateformes hétérogènes adaptées aux communications haut débit.
Étude et conception d'architectures reconfigurables pour les systèmes
MIMO.
Étude et conception d'IP paramétrables pour les communications
numériques : codec de de Reed Solomon, décodeur de Viterbi à décisions
pondérées, turbo codec de codes produits.
4. Conception et réalisation de systèmes de diffusion multimédia
Algorithmes et architectures pour la compression du son, des images et
des données.
Conception et réalisation d'un système de multiplexage audio-vidéo sur
FPGA.
2. Hardware reconfigurable platform
Design of new Digital Signal Processing architectures based on the use
of FPGA enabling partial and dynamical hardware reconfiguration.
Applications to “Software Radio” and to designing a new multimode
handset with dynamic reconfigurability.
3. Electronic for Digital Communications
Design of heterogeneous systems dedicated to high data rate communication.
Design of reconfigurables architectures of MIMO systems.
Design of parameterizable IP cores for digital communication: ReedSolomon decoder, Viterbi decoder with soft decision, turbo encoderdecoder of product codes.
4. Design and development of multimedia streaming systems
Algorithms and architectures for the compression of sound, images and
data.
Design of an audio-video multiplexing system on FPGA component.
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Pierre LERAY
Jacques WEISS
Amor NAFKHA
Équipe SCEE - IETR
Campus de Rennes
Tél. : 33 (0) 2 99 84 45 00
Équipe SCEE - IETR
Campus de Rennes
Tél. : 33 (0) 2 99 84 45 00
Équipe SCEE - IETR
Campus de Rennes
Tél. : 33 (0) 2 99 84 45 00
6.2 Intégration d'algorithmes et systèmes électroniques
Algorithm integration and electronic systems
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Reconfigurable architectures based on CORDIC operator
for digital processing: MIMO decoder applications
Architectures reconfigurables à base d'opérateurs CORDIC
pour le traitement du signal : applications aux récepteurs MIMO
Hongzhi Wang
Pierre Leray
Jacques Palicot
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Résumé
Cet article propose une architecture reconfigurable dynamiquement pour l'implémentation d'algorithmes de traitement du
signal. L'architecture est basée sur l'utilisation d'opérateurs CORDIC (COordinate Rotation DIgital Computer) et s'appuie sur
la technologie de reconfiguration partielle des FPGAs. Cette architecture est mise en œuvre dans l'implémentation d'un décodeur MIMO V-Blast Square Root dans un FPGA Xilinx Virtex4.
Introduction
This paper introduces a reconfigurable MIMO V-BLAST (Vertical Bell
Laboratories Layered Space-Time) square root decoder that is CORDIC operators based, allows for dynamically changing the interconnections between
the CORDIC (COordinate Rotation DIgital Computer) operators. These
interconnections of CORDIC operators are implemented in a partial reconfigurable part of FPGA using the dynamic reconfiguration method which
improves both the reconfiguration time and the area efficiency. Moreover,
this reconfiguration time improvement is increased thanks to the
MicroBlaze (within the FPGA) in which is included the reconfiguration
management. This MIMO square root decoder is mapped on a Xilinx Virtex4, showing the configuration time improvement, area efficiency and flexibility of the decoder by using the dynamic partial reconfiguration method.
Cordic Based Dynamically Reconfigurable
Architecture (CBDRA)
We propose a processing structure where the number of CORDIC operators
adapts itself to the data rate and number of antennas characteristics for optimal implementation (figure 1). A fully parallel architecture of course offers
significant calculation capacity, but at the expense of very great complexity.
On the other hand, an iterative structure constructed around a single operator greatly reduces the complexity, but limits processing speed. It is by combining both these approaches that it will be possible to obtain an optimal
architecture, being guided by the relationships that must link the characteristics of the communication chain (data rate, number of antennas) and the
decoder architecture (number of CORDIC operators and the way they are
organized). In the MIMO SRA application, the dynamic reconfiguration is
used to change the interconnections of CORDIC in stead of a static implementation of the interconnections frameworks which uses a great number of
multiplexers to switch from one interconnection context to the next one.
Figure 2: Partially reconfigurable platform
The MIMO decoder for 2 antennas system with QPSK signal constellation
is designed in VHDL, simulated with Modelsim. The decoder is implemented and tested on a Virtex-4 xc4lx-160 from Xilinx. Table I shows some synthesis results of decoder implemented which uses the dynamic reconfiguration to change the interconnections between the processing elements. The
reconfiguration times are calculated with the Bitstreams size and ICAP frequency. As it could be seen in Table I, the reconfiguration of Virtex-4 is
indeed more efficient than the Virtex-II, thanks to the new features of
Virtex-4. The reconfiguration time of dynamical reconfigurable part is equal
to 50us which is very close to real-time reconfiguration.
P01/2 et Q0
θ2
θ1
0
0
0
0
Ø2
Ø2
0
0
Ø1
Ø1
Ø1
0
Ø1
0
Ø2
θ3
Ø2
Ø2
θ3
θ4
θ4
I/O
0
-1
0
Ø4
0
0
Ø3
Ø3
Ø3
Ø3
Ø3
Ø3
0
0
0
0
0
0
Ø4
Ø4
Ø4
Ø4
Ø4
Ø4
P1/2 et
Interconnection
s c h ed u l er
θ3
0
-1
Data memory
Qa
Parallel structure (29 CORDIC)
CORDIC
CORDIC
CORDIC
Reconfigurable structure
Table I
Figure 1: Parallel Architecture versus CBDRA
References
Configuration management
In the dynamic reconfigurable architecture, shown in figure 2, an embedded
processor (like Xilinx MicroBlaze) is used as configuration manager and
ICAP as configuration interface. The logic resources are divided into two
parts: the fixed area and the dynamically reconfigurable area. Each of these
two areas can contain several modules. The fixed area contains modules
that remains the same. The physical separation between reconfigurable
module with fixed module an other reconfigurable one have to be realized
by a special communication interface called Bus Macro. These Bus Macro
provided by Xilinx are used to ensure the right place and routing of signal
crossing over PR area.
Recherche Research
[1] H. Wang, J.-P. Delahaye, P. Leray, and J. Palicot, « Managing dynamic
reconfiguration on mimo decoder », in IPDPS. IEEE, 2007, pp. 1-8.
[2] H. Wang, P. Leray, J. Palicot, « Reconfigurable architecture for
MIMO systems based on CORDIC operators », Comptes Rendus
Physique, Elsevier, volume 7 septembre 2006, pp 735-750.
[3] H Wang, P Leray and J Palicot, «An efficient MIMO V-BLAST
decoder based on a dynamically reconfigurable FPGA including its
reconfiguration management », ICC08, Beijng, China.
2009 / 2011
93
6.
6.3
Semiconducteurs en couches minces pour
le photovoltaïque et l'optoélectronique
Thin film semiconductors for photovoltaics
and optoelectronics
La recherche dans le domaine des semiconducteurs en couches minces
s'est fortement développée au cours des dernières années. Ces matériaux
peuvent entrer dans différentes applications industrielles, du fait de deux
caractéristiques principales. La première est la possibilité de déposer certains matériaux par des procédés dits "basse température" (T < 250°C) sur
de grandes surfaces et sur des substrats bon marché tels que du verre ; ils
ont alors une structure désordonnée, amorphe, polymorphe ou polycristalline. Ces matériaux sont particulièrement intéressants pour les applications électroniques nécessitant de grandes surfaces à des coûts abordables
telles que la conversion photovoltaïque de l'énergie solaire ou la visualisation par écran plat à matrice active. La deuxième caractéristique est la
parfaite maîtrise de leur croissance sur des épaisseurs extrêmement
faibles, de l'ordre de quelques couches atomiques, et avec une excellente
qualité électronique, ce qui permet alors la réalisation de dispositifs nouveaux basés sur des phénomènes quantiques ou sur des propriétés résultant de la juxtaposition de matériaux différents tels que des effets d'hétérojonctions.
Nos travaux portent sur le développement de techniques de caractérisation électrique et d'analyses spécifiques à ce type de semiconducteurs pour :
- contribuer à l'optimisation des matériaux et des dispositifs,
- comprendre et modéliser les phénomènes de transport électronique :
effets liés à la structure désordonnée, aux très faibles épaisseurs ou aux
hétérointerfaces.
Over the past few years, increasing attention has been given to thin film
semiconductors. Indeed, these materials can be utilized in a wide range of
industrial applications thanks to two main characteristics.
Firstly, some of them can be produced at low temperatures (T < 250°C) on
low-cost and large-area substrates, such as glass. Having a disordered,
amorphous, polymorphous or polycrystalline structure, these materials are
well suited for low-cost, large-area electronic applications, such as solar
energy photovoltaics or flat-screen display, active matrix addressing.
Secondly, it is possible to control their growth quite effectively with electronic grade quality over a few interatomic distances, which ensures development of advanced electronic equipment based on quantum or multi-layer
heterostructural effects.
Our studies are mainly focused on the development and use of electrical
characterization techniques and theoretical modelling specific to thin
films, primarily for:
- diagnostics and optimization of materials and devices,
- understanding of electronic transport properties in relation to their disordered structure as well as hetero-interface effects.
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...........................................................................
Sujets
Topics
1. Développement de techniques de caractérisation, plate-forme
CAMADISC, et modélisation
Techniques de photocourant dans divers régimes : stationnaire, modulé, transitoire, sous interférences.
Photoréponse spectrale.
Spectroscopie d'admittance de jonctions.
Techniques sans contact : photoconductance, photoluminescence.
1. Development of characterization techniques, CAMADISC platform, and modelling
Photocurrent based techniques in various regimes (steady-state, modulated, transient, photograting).
Spectral photoresponse.
Admittance spectroscopy.
Contactless techniques: photoconductance, photoluminescence.
2. Semiconducteurs en couches minces pour le photovoltaïque
Filières silicium : silicium amorphe et polymorphe, microcristallin, cellules tandem, cellules à hétérojonctions.
Filière des composés Cu(In, Ga)Se2.
Filière des semiconducteurs organiques.
2. Thin film semiconductors for photovoltaics
Silicon solar cells (amorphous, polymorphous, microcrystalline, tandem,
heterojunctions).
CIGS compounds and solar cells.
Organic semiconductors and solar cells.
3. Semiconducteurs à large bande interdite pour l'optoélectronique
Diamant CVD : propriétés électroniques et applications à la détection
dans l'ultra-violet.
Nitrures d'alliages III-V.
3. Wide bandgap semiconductors for optoelectronics
Synthetic CVD diamond: electronic properties and application to UV
and XUV radiation detectors.
III-V nitrides.
Jean-Paul KLEIDER
LGEP - Équipe SCM
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 16 45
94
6.3 Semiconducteurs en couches minces pour le photovoltaïque et l'optoélectronique
Thin film semiconductors for photovoltaics and optoelectronics
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Organic solar cells: State-of-the-art and future challenges
Cellules solaires organiques : état de l'art et futurs challenges
Denis Mencaraglia
Peiqing Yu
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Résumé
Sous forme cristalline, le silicium ou certains composés III-V à base de GaAs sont très bien adaptés à la conversion photovoltaïque pour l'alimentation des satellites qui requiert rendement élevé et grande fiabilité. Le coût élevé de production de tels
semiconducteurs est cependant un frein pour les autres applications. La prise en considération des problèmes d'environnement
accroit cependant la demande d'énergie photovoltaïque. En effet, une surface équivalente à la France recouverte de panneaux
solaires à 10% de rendement (inférieur à celui des panneaux de satellites) produirait en un jour l'équivalent de trois jours de
consommation mondiale en électricité ! Les recherches concernent les couches minces minérales désordonnées, moins coûteuses
que les cristallines, obtenues d'abord par voie sèche et, depuis une dizaine d'années, à partir de solutions liquides (voie humide). Ces derniers procédés n'ont pas encore réussi à percer dans le domaine des semiconducteurs minéraux à l'exception d'une
voie par électrodépôt pour le composé chalcopyrite CuInGa(S,Se), mais les techniques de dépôt en solution s'avèrent très bien
adaptées à la synthèse de polymères semiconducteurs et devraient permettre la production de cellules organiques à des coûts
très compétitifs. Cela passe encore par l'amélioration des rendements et de la stabilité de tels dispositifs. La filière organique
pourrait alors devenir une réelle solution alternative aux filières en couches minces minérales.
Introduction
Future challenges
Despite the successful use of solar cells for space power generation, the
development of photovoltaic (PV) solar energy conversion on a significant
scale for terrestrial applications suffers from the relatively high production
cost of crystalline semiconductors when large area electronic devices are
needed. Amorphous or polycrystalline mineral thin film technologies using
vacuum deposition reactors have begun to bridge the gap but they are still
considered too expensive to produce PV modules that can compete significantly with conventional energy sources. On the contrary solution-processed
technologies suitable for organic solar cells are unrivalled in terms of low
cost production [1]. Further progress however is still needed to increase the
photovoltaic conversion efficiency and the stability of this challenging technology but recent advances on solution-processed polymer-fullerene bulk
heterojunction solar cells show great promise for future low cost mass production of PV systems (Fig. 1).
Future challenges are now to increase further this efficiency and the operational device stability which is characterized today by 15% loss of initial
efficiency after 1.5 years of sunlight illumination [3]. Chemistry routes are
explored to tune the bandgap of the donor and acceptor molecules as well
as the HOMO (Highest Occupied Molecular Orbitals) and LUMO (Lowest
Unoccupied Molecular Orbitals) offsets between the donor and acceptor
[4]. For the long term stability, important issues have already been identified as the choice of the metal electrodes as well as the use of thin interfacial layers between the active layer and the metallic contacts. In our
group we investigate also a complementary approach using carbon nanotubes embedded in the active P3HT :PCBM blend synthesized by a French
consortium in the framework of an ANR contract [Fig. 2] and we develop
specific electrical characterization techniques to determine the electrically active defects in the active layer or at the interfaces of the solar cell [5].
Figure 1: Photograph of reel-to-reel processed organic solar cell, the active
layer being a P3HT :PCBM blend (Source: C.J. Brabec and J.R. Durrant,
MRS Bulletin 33 (2008) 671)
State-of-the-art
While pioneering work on organic solar cells began thirty years ago, the
appropriate concepts taking full advantage of the functionalisation possibilities permitted by organic chemistry only appeared in the mid-1990s.
Indeed, whereas mineral solar cells are still based today on the bilayer
concept of a planar pn -junction, a major breakthrough was achieved when
it was realized that an interpenetrated network of donor and acceptor
could lead to dispersed bulk heterojunctions compensating the low values
of excitons diffusion lengths typical of organic semiconductors [1]. This
concept led to enhanced conversion efficiencies from values lower than
0,1% to more than 2%. It is then easily understood why solution-processed
techniques are well adapted to the synthesis optimisation of intimate
donor-acceptor blends using different weight ratios of each constituent
along with best-suited solvents and annealing procedures that can efficiently control the blend morphology which is critical to optimize chargecarrier creation and extraction. The material system that has proven to be
the more efficient is a polymer-fullerene blend where the polymer (donor)
is poly-3-hexylthiophene (P3HT) and phenyl-C61-butyric acid methyl
esther (PCBM) is a soluble fullerene derivative (acceptor). This system
exhibits self-organization properties that can be tuned through solutionprocessing optimization. The application of the above mentioned concepts
led to a today confirmed efficiency slightly above 5% under the global
AM1.5 spectrum [2].
Recherche Research
Figure 2: Current density versus bias under AM 1.5 (1000 W.m-2) illumination of a P3HT :PCBM based solar cell without and with carbon nanotubes. The conversion efficiency of 5.74% in this last case is at the best
level of the international state-of-the-art.(Courtesy of B. Ratier,
R. Radbeh, A. Moliton, Minacom Dpt, XLIM, Limoges)
References
[1] G. Yu, J. Gao, J.C. Hummelen, F. Wudl, A.J. Heeger, Polymer photovoltaic cell enhanced efficiencies via a network of internal donor-acceptor
heterojunctions, Science 270 (1995) 1789-1791.
[2] M. A. Green, K. Emery, Y. Hishikawa and W. Warta, Solar Cell
Efficiency Tables (Version 33), Prog. Photovolt: Res. Appl. 2009; 17:85-94.
[3] B. Zimmermann, U.Wurfel, M.Niggemann, Longterm stability of
efficient inverted P3HT:PCBM solar cells, Solar EnergyMaterials &
Solar Cells 93 (2009) 491-496.
[4] G. Dennler, M. C. Scharber, and C. J. Brabec, Polymer-Fullerene
Bulk-Heterojunction Solar Cells, Adv. Mater. 2009, 21, 1-16.
[5] F.T. Reis, F. Santos, R.M. Faria and D. Mencaraglia, Temperature
dependent impedance spectroscopy on poly-aniline based devices,
IEEE Trans. Dielectr. Electr. Ins. 13 (5) (2006) 1074-1081.
2009 / 2011
95
6.
6.4
Réseaux de détecteurs pour imagerie terahertz
Detector arrays for terahertz imaging
Le domaine terahertz (THz), qui s'étend typiquement de 500 GHz à
10 THz (longueurs d'onde comprises entre 30 et 600 micromètres), est
potentiellement très riche car il concerne un grand nombre de domaines
applicatifs : l'astronomie (atmosphères planétaires ou matière interstellaire), l'environnement aussi bien pour le climat que la pollution, l'énergie
pour les sources renouvelables (diagnostic des plasmas de fusion), les
transports (aériens, terrestres et maritimes), la sécurité des civils (armes
cachées, produits frauduleux, incendies), les diagnostics non invasifs pour
le vivant : végétal (dégradation des feuillages), animal (qualité des aliments) ou maladie humaine (carie dentaire), etc.
Ainsi, le domaine de recherche ciblé « imagerie THz » a été ces dernières
années un sujet brûlant dans la recherche et les activités de développement. Par ailleurs, l'imagerie THz implique des recherches multidisciplinaires : science des matériaux, micro et nanotechnologies, électromagnétisme, optique, conception des circuits électroniques, etc.
Nos activités sont en fait largement orientées vers les réseaux de détecteurs, qui ont posé et soulèvent encore bien des problèmes en termes de
disponibilité et de performances, depuis au moins quatre décennies.
The terahertz (THz) frequency range which typically extends from 500 GHz
to 10 THz (or from 600
down to 30
wavelengths), is potentially very
rich insofar as a large number of applicative areas are concerned: astronomy (in the planet atmosphere or interstellar matter areas), environment on
both pollution and climate contexts, energy for renewable sources (plasma
diagnoses for atomic fusion), transportation (air and marine navigation),
security of the civilians (in the concealed weapons or fraud products or fire
alarm areas), vegetal (leaf degradation) or animal (food quality) or human
disease (tooth decay) diagnoses, etc.
Thus the research field targeted “THz imaging” has been these very last
years a hot topic in research and development activities. Besides, THz imaging also involves multidisciplinary issues, which address: materials
sciences, micro and nanotechnologies, electromagnetism, optics, electronic
circuit design, etc.
Our activities do in fact mainly focus on arrays of detectors, which have
posed many problems in terms of availability and performance, since at
least four decades. In fact, these problems address all the above mentioned
multidisciplinary activities.
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...........................................................................
Sujets
Topics
1. Matériaux pour détecteurs
Élaboration de films minces d'oxydes supraconducteurs (YBaCuO, à
haute Tc) et semiconducteurs par pulvérisation cathodique DC.
Optimisation du dépôt et de la mise en forme des films en fonction des
dispositifs envisagés (détecteur direct, mélangeur), et de leur environnement (refroidis ou non refroidis, par exemple).
Étude de la microstructure (rayons X, AFM), de la composition (Auger /
XPS et ICP) et des propriétés optiques des films (FTIR).
Caractérisations électriques des films : R(T), I(V).
1. Materials for detectors
Elaboration of superconducting (YBaCuO high Tc) and semiconducting
thin film oxides by DC sputtering technique.
Optimization of film processing on various substrate materials according to the device specification (e.g. direct detector or mixer) or environmental conditions (e.g. cooled or uncooled).
Microstructural, compositional and optical studies of the thin films:
X-ray diffraction, near-field microscopy, Auger/XPS or ICP, FTIR, etc.
Electrical characterizations of the films: R(T), I(V).
2. Dispositifs
Conception et fabrication de dispositifs de détection bolométrique par
micro et nano technologies en salles blanches.
Mise au point de tests électriques et optiques par sources continues, en
impulsions fs ou corps noir (IR proche et lointain), de 30 K à 300 K.
2. Devices
Design and fabrication of bolometric detection devices by micro and
nanotechnologies in clean rooms.
Setting up of electrical and optical test benches with CW, pulsed (fs) or
blackbody sources, from near to far infrared, from 30 K to 300 K.
3. Interfaces des dispositifs
En amont : formation de faisceaux THz (techniques quasi optiques et
réseaux de Fourier), couplage e.m. par antennes ultra large bande.
En aval : conception de l'électronique de lecture (amplificateurs à faible
bruit) en détection directe et de circuits microondes en mélange THz.
3. Device interfacing
Front end interfaces: beam forming (quasi-optical or Fourier gratings),
electromagnetic coupling to the device by ultra wideband antennas.
Back end interfaces: design of readout circuitry (low noise amplifiers)
for direct detectors, and microwave circuitry for THz mixers.
4. Systèmes d'imagerie THz
Imagerie THz passive : conception de réseaux linéaires de mélangeurs
à haute sensibilité à base de bolomètres à électrons chauds haute Tc.
Imagerie THz active à température ambiante : conception de réseaux
2D de bolomètres semiconducteurs en détection directe.
4. THz imaging systems
Passive THz imaging: design of high sensitivity heterodyne detector 1D
pixel arrays of high-Tc hot electron nanobolometers.
Active THz room temperature imaging: design of semiconducting direct
detector 2D arrays of bolometric pixels.
96
Annick DÉGARDIN
Aurélie GENSBITTEL
Alain KREISLER
LGEP - Équipe MDMI
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 16 53
Sujet 3 / Topic 3
LGEP - Équipe MDMI
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 16 54
Sujets 2, 3, 4 / Topics 2, 3, 4
LGEP - Équipe MDMI
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 16 51
6.4 Réseaux de détecteurs pour imagerie terahertz
Detector arrays for terahertz imaging
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Superconducting vs. semiconducting YBCO bolometer arrays
Réseaux de bolomètres supraconducteurs et semiconducteurs comparés
Vishal Jagtap
Alain Kreisler
Annick Dégardin
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Résumé
Les oxydes YBa2Cu3O6+x (YBCO) sont bien connus pour leurs propriétés supraconductrices à haute température critique (x > 0.5) et leurs
propriétés semiconductrices lorsqu'ils sont appauvris en oxygène. Dans les deux cas, YBCO peut être utilisé comme matériau sensible en
détection bolométrique. On peut alors penser à exploiter l'YBCO supraconducteur en imagerie passive à haute sensibilité, alors que l'YBCO
semiconducteur, de sensibilité plus réduite, serait dédié à l'imagerie active. Afin d'examiner la faisabilité de tels bolomètres, nous avons effectué une étude comparative sur des pixels en forme de méandres en modélisant et mesurant (à 850 nm de longueur d'onde) leur sensibilité
thermique d'une part, et le couplage thermique (diaphotie) entre pixels d'autre part, pour des fréquences de modulation comprises entre
1 Hz et 100 kHz, afin d'évaluer une cadence adéquate de rafraichissement de l'image.
Introduction
The choice between an uncooled and cooled thermal imaging system
is driven by tradeoffs between system sensitivity and manufacturing
costs. A most straightforward application of the high-Tc superconductors (HTSC) is the resistive-transition-edge bolometer, i.e. working
within the vicinity of the superconducting transition. Obviously, the
superconducting bolometer exhibits a temperature coefficient resistance TCR = (1/R)(dR/dT) much larger (about 100 %K-1) than the TCR
(a few %K-1) of any semiconducting material at room temperature
(RT). This is why in the THz region, the antenna-coupled superconducting hot electron bolometer remains the emergent high performance detector due to the progress in superconducting nanotechnologies [1].
Originally developed as a HTSC, YBa2Cu3O6+x (YBCO) shows semiconductor-like behavior when 0.3 < x < 0.5, with a larger TCR
(3 - 4 %K-1) [2] at RT, however, than currently used semiconductors for
IR detection: VOx (2 %K-1) or amorphous SiH (2.5 %K-1). Moreover, it
can be produced on silicon substrates at RT, which allows envisaging
the single chip temperature sensors including the CMOS readout
electronics.
In this study, we have considered 2x2 pixel arrays elaborated using
standard photolithography and chemical etching on both YBCO types.
Experimental
Superconducting YBCO (#Super) thin film (300 nm) prepared by
thermal co-evaporation on (001) MgO substrate was obtained commercially; the semiconducting YBCO (#Semi) thin film (900 nm)
was deposited by sputtering at 100°C on (001) MgO substrate. The
bolometer pixels were in the shape of meanders, embedded in an
area of about 1 mm2. Pixel responsivity and thermal crosstalk were
investigated in the 1 to 105 Hz frequency range using electronically modulated 850 nm solid state VCSEL laser source. The dynamic
optical response measurements were carried out with a lock-in
amplifier. The use of optical density filters allowed incident power
on the device in the 7.4µW to 74 µW range. The laser beam diameter was 500 µm. The samples were fastened to the cold finger of a
cryostat (temperature stability: 5 mK). The #Super (resp. #Semi)
pixel array was current (resp. voltage) DC biased. The four pixels of
each sample were tested and exhibited the same behavior, so attesting YBCO film homogeneity and process quality.
Results
Pixel #Super showed a transition temperature Tc = 92 K, with transition
mid-point resistance of 490 . The TCR value in the transition region was
high (176 %·K-1), as expected. For pixel #Semi, the resistance at 300 K was
very high (1.3 M ). The TCR was
3.2 %·K-1 at 300 K.
A 3D thermal model has been implemented which involved solving the
coupled second order heat diffusion differential equations taking into
account such additional parameters as film/substrate interface and
film thickness, as described in [3].
Fig. 1 shows the typical optical response versus frequency in a Bode
plot. In the 1 to 105 Hz range, the optical response exhibits four different corner frequencies for sample #Semi; only three are visible for
pixel #Super. Each frequency interval corresponds to a different heat
flow process inside the film and the substrate, as detailed in [3].
From Fig. 2, we observe that the thermal crosstalk decreases with
increasing frequency, until fopt is reached, in line with the model.
Recherche Research
We notice that it decreases more quickly for sample #Semi: at
1 kHz, the measured crosstalk magnitude was -30 dB against -19
dB for sample #Super. However the optimal frequency limit
remains higher for sample #Super (10 kHz, with a magnitude of -45
dB) than for sample #Semi (2 kHz, with a magnitude of -35 dB).
Figure 1: Optical response versus modulation frequency for superconducting YBCO bolometer (top) and semiconducting YBCO bolometer (bottom). Experimental values for slopes and corner frequencies
are indicated.
Figure 2: For both technologies, thermal crosstalk between adjacent pixels as a function of modulation frequency.
References
[1] A. J. Kreisler, A. F. Dégardin, M. Aurino et al., “New trend in terahertz
detection: high Tc superconducting hot electron bolometer technology
may exhibit advantages vs. low Tc devices,” in Proc. IEEE International
Microwave Symposium, Hawaii, June 2007, pp. 345-348.
[2] M. Longhin, A.J. Kreisler, and A. F. Dégardin, “Semiconducting
YBCO thin films for uncooled terahertz imagers,” Materials Science
Forum, vol. 587-588, pp. 273-277, 2008.
[3] V. S. Jagtap, A. Scheuring, M. Longhin, A. F. Dégardin and A. J.
Kreisler, “From superconducting to semiconducting YBCO thin film
bolometers: Sensitivity and crosstalk investigations for future THz
imagers,” IEEE Trans. AS, vol. 19(3), pp. 287-292, 2009.
This work has been supported by a Marie Curie Early Stage Training
Fellowship of the European Community's Sixth Framework
Programme under contract number MEST-CT-2005-020692;
NANOTIME project.
2009 / 2011
97
6.
6.5
Transmissions optiques et micro-ondes
Optical and Microwave Transmissions
Les liaisons optiques avec un débit supérieur à 40 Gb/s sont sensibles aux
phénomènes physiques liés à la propagation dans une fibre optique monomode (dispersion, effets de polarisation et effets non linéaires) ainsi
qu'aux composants optoélectroniques associés tels que les amplificateurs
optiques, les sources laser à semiconducteurs et les modulateurs optiques.
Les lasers à semiconducteurs constituent les principales sources pour les
télécommunications optiques. Les lasers à émission par la surface
(VCSEL), composants bas-coût, sont très utilisés dans les réseaux
optiques courte distance. L'étude de ces sources optiques à haut débit
(10 Gb/s) dans des environnements sévères nécessite le développement de
modèles dédiés. Les lasers monomodes DFB doivent être très stables en
longueur d'onde, ce qui correspond à un faible chirp, et doivent être compatibles avec les modulateurs externes pour une modulation en amplitude et en phase. Pour étudier ces phénomènes, une plate-forme de caractérisation des systèmes de télécommunications optiques à haut débit a été
mise en place avec le soutien du Conseil Général de l'Essonne et du
Conseil Régional Ile de France dans le cadre de PRISME Optics Valley. La
plate-forme comprend des moyens de mesure du Taux d'Erreurs Binaires
(TEB) et du diagramme de l'œil jusqu'à 50 GHz. Nous disposons aussi de
moyens efficaces d'analyse des spectres optiques en régime statique et
dynamique. Des interconnexions électroniques Haute Fréquence (HF)
sont conçues, réalisées et testées afin d'optimiser les interfaces entre composants et instruments.
Optical links with capacity higher than 40 Gb/s are sensitive to physical
effects related to the propagation in a singlemode fiber (dispersion, effects
of polarization and nonlinear effects) and to the associated optoelectronic
components such as optical amplifiers, semiconductor laser sources and
optical modulators. Semiconductor lasers are the main sources for optical
telecommunications. Vertical Surface Emitting Lasers (VCSEL), which are
low-cost components, can be used in short distance optical networks. The
study of these optical sources at high bit rate (10 Gb/s) in severe environments requires the development of dedicated models. Singlemode DFB
lasers must be very stable in wavelength with low chirp, and must be compatible with the external modulators for phase and amplitude modulation.
In order to investigate these topics, a new laboratory dedicated to the measurement of high-bit rate optical telecommunication systems has been developed with the support of “Conseil Général de l'Essonne” and “Conseil
Régional Ile de France”, in the framework of the PRISME platform of
Optics Valley. Bit Error Rate (BER) and Eye diagram can be measured up
to 50 GHz. The laboratory is also equipped for Optical Spectral Analysis
under CW conditions and under modulation. High Frequency (HF)
Electronic interconnections are designed, realised and tested in order to
optimize the interfaces between components and instruments.
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...........................................................................
Sujets
Topics
1. Analyse et modélisation de composants optoélectroniques
- Modélisation des lasers VCSEL pour réseaux haut débit et courte distance. Phénomènes non-linéaires et thermiques.
- Optimisation de la longueur d'onde des lasers accordables DBR pour
canaux DWDM par caractérisation spectrale rapide.
- Caractérisation du « chirp » dans les lasers à semiconducteurs et dans
les modulateurs optiques externes.
- Modélisation de la statistique de bruit de détection en présence de
bruit ASE d'un amplificateur optique.
1. Analysis and Simulation of Optoelectronic Components
- VCSEL laser models for high bit-rate and short range optical transmissions, nonlinear and thermal behaviours.
- Wavelength optimization in a tunable DBR laser for a DWDM channel
by fast spectral characterization.
- Chirp characterization in semiconductor lasers and optical external
modulators.
- Modelling of the detection noise statistics in the presence of ASE noise
of an optical amplifier.
2. Transmissions optiques à très haut débit
- Extraction du BER et du diagramme de l'œil de liaisons optiques à
très hauts débits (jusqu'à 50 Gb/s).
- Etude de formats de modulations (X-RZ, M-PSK), par modulateur
optique externe, adaptées aux très hauts débits.
- Performances des liaisons optiques cohérentes modernes.
- Conception et optimisation d'interfaces électroniques HF.
2. Very High Speed Optical Communications
- BER and Eye Diagram extraction on very high bit rate (up to 50 Gb/s)
optical amplified links.
- Study of modulation formats (X-RZ, M-PSK) using an external optical
modulator, adapted to very high speed optical links.
- Performance analysis of modern coherent optical links.
- Design and optimization of HF electronic interfaces
3. Réseaux optiques pour communications courte distance FTTH
- Systèmes à base de lasers VCSEL pour le 10 Gigabit Ethernet.
- Applications des Fibres Optiques Plastiques en PMMA pour réseaux
optiques courte distance.
- Interconnexions optiques de nouvelle génération pour interfaces entre
périphériques informatiques.
- Développement d'outils intégrés pour CAO optoélectronique dédiés
aux réseaux optiques courte distance.
3. Optical Networks for Short Range Communications FTTH
- VCSEL laser based systems for the 10 Gigabit Ethernet.
- Plastic Optical Fiber (PMMA POF) developments for short range optical networks.
- Next generation Optical Interconnects for interfacing computer peripherals.
- Development of integrated optoelectronic CAD tools dedicated to optical short distance networks.
98
Alain DESTREZ
Zeno TOFFANO
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 14 41
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 14 40
6.5 Transmissions optiques et micro-ondes
Optical and Micro-Wave Transmissions
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Bit Error Rate Extraction Method for High Speed Optical Links
Méthode d'extraction du TEB pour liaisons optiques rapides
Alain Destrez
Sébastien Pellevrault
Zeno Toffano
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Résumé
Une nouvelle méthode expérimentale d'extraction de Taux d'Erreur Binaire (BER), applicable jusqu'à 100 Gb/s, est développée
pour des télécommunications optiques à très fort débit amplifiées. La méthode est basée sur l'analyse statistique des signaux
prenant en considération le bruit d'émission spontanée ASE, le bruit du détecteur optique, la gigue et l'Interférence Inter
Symbole (ISI). Les paramètres statistiques sont extraits à partir du signal électrique détecté à l'aide d'un oscilloscope en temps
équivalent de très grande bande passante. Notre méthode est plus rapide et plus sensible que la méthode de mesure directe de
comptage des erreurs. La bonne concordance entre les résultats de notre méthode et la méthode directe est vérifiée expérimentalement. Notre méthode a été validée dans le cadre du projet CARRIOCAS du Pôle de Compétitivité Mondial SYSTEM@TIC.
Introduction
Performance measurement and simulation to achieve a desired Bit-Error
Rate (BER) are fundamental for developing optical communication systems.
Reliability and efficiency in terms of time consuming BER measurements
have become a more and more critical issue because of high quality links
associated to ultra high speed transmission (40 Gb/s commercially available
and 100 Gb/s under development). For low BER, direct measurements are
not so widely used due to long acquisition times and also to the expensive
equipment. The Q factor, derived from the eye signal to noise ratio, is widely used. It leads to BER using simple expressions. The limiting assumption
of this method is that the receiver signal statistics is considered Gaussian.
This assumption fails generally when EDFA optical amplifiers are used
because the Amplified Spontaneous Emission (ASE) noise added inline or by
the preamplifier becomes the prevalent noise source [1]. ASE noise contribution is non Gaussian because of quadratic detection and also because of
narrow optical filters widely used in optical wavelength multiplex.
Figure 1: Experimental setup for the 43 Gb/s optical link
Principle of the ETO Extraction Method
We have developed a new BER extraction method, the Equivalent Time
Oscilloscope (ETO) method, including ASE noise, post-detection noise, jitter
and ISI.
After optical conversion, the photoreceiver electrical signal is sampled using
an ETO which generates a waveform that is transferred to a computer. The
statistical parameters are extracted from the signal moments. These parameters are specific to the statistical laws associated to the detected signal.
Here we consider three different statistical laws: 1) the Gaussian law, 2) The
Non-Central Chi-Square (NCX2) and 3) A specifically developed statistics
named Gaussian Convolved Non-central Chi-square statistic (GCNCX2).
The resulting BER(td,s) at the user defined decision time td and threshold
voltage s for a N = 2n-1 Pseudo Random Bit Sequence (PRBS) is obtained by
the averaged BER values of each bit of the PRBS, leading to:
It has been shown [2] that, because of the influence of the preceding bit
(trailing bit) and of the following bit, that ISI effects can be taken into
account by using the averaged value of BER for three bit patterns.
When considering jitter, we have to distinguish between timing random jitter and deterministic jitter. This last is included in the ISI processing.
Results
An optical link was set up to test the ETO BER extraction method (see
fig. 1) using a Mach-Zehnder modulator connected to a NRZ 43 Gb/s PRBS
generator and a 1550 nm DFB laser. The output of the modulator is connected to an optical link. The receiver includes a low-noise EDFA pre-amplifier,
an optical filter and a 40 GHz PIN diode followed by a Trans Impedance
Amplifier (TIA) with linear characteristics.
The experiments were undertaken in the framework of the French
CARRIOCAS SYSTEM@TIC project. The equipment is part of the OpticsValley PRISME platform at SUPELEC with the support of “Conseil Général
de l'Essonne” and “Région Ile de France” and feedback from Agilent
Technologies.
Recherche Research
Figure 2: BER as a function of threshold voltage measured with BERT
and ETO for different statistics.
We observe on fig. 2 that the tail of the extracted BER curve function of
threshold voltage using the Gaussian statistics is less steep than the one
using the NCX2 statistics. Better with the GCNCX2 statistics, we find that
the BER follows closely the reference BER measured directly with a Bit
Error Tester (BERT). GCNCX2 statistics takes into account both ASE and
post-detection noise.
We have also shown that the ETO method permits to measure very low
values of BER (10-15) which are inaccessible by direct measurements. The
method is also faster for low BER measurements making it a competitive
tool for validation of very high quality optical links.
References
[1] C.R. Giles, E. Desurvire, “Propagation of Signal and Noise in ErbiumDoped Fiber Optical Amplifiers”, J. Lightwave Technol., vol. 9, no. 2,
pp. 147-154, Fev. 1991.
[2] A. Gholami, Z. Toffano, A. Destrez, S. Pellevrault, Mathias Pez,
F. Quentel., “Optimization of VCSEL Spatiotemporal Operation in MMF
Links for 10-Gigabit Ethernet”, IEEE Journal of Selected Topics in
Quantum Electronics, vol. 12, July/Aug. 2006, pp. 767-775.
2009 / 2011
99
6.
6.6
Photonique non linéaire
Non Linear Photonics
Les composants photoniques couramment utilisés dans de nombreux systèmes (lasers, guides d'onde, amplificateurs) présentent des comportements dynamiques non-linéaires : émission spontanée de cycles réguliers
d'impulsions, chaos, soliton temporel/spatial, auto-organisation de la
lumière (pattern optique). Ces dynamiques non-linéaires sont généralement considérées comme des inconvénients qu'il est nécessaire d'étudier
physiquement pour mieux les contrôler et les éviter. Cependant leur compréhension permet également d'envisager de nombreuses applications :
guidage de la lumière par elle-même, mémoire optique, routage tout
optique reconfigurable, basculement tout optique rapide, cryptographie
par chaos.
Photonic components typically used in several systems (lasers, waveguides,
amplifiers) exhibit nonlinear dynamical behaviors: spontaneous emission
of regular pulses, chaos, temporal/spatial soliton, self-organization of light
into optical patterns. These nonlinear dynamics are usually considered as
drawbacks whose physical understanding would finally help their control
and avoidance. However insight into these nonlinear dynamics would also
bring interesting innovative applications: self-guiding of light, optical buffering, all-optical reconfigurable routing, all-optical fast switching, chaosbased cryptography.
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Sujets
Topics
1. Autofocalisation photoréfractive
Modélisation théorique, simulation numérique et validation expérimentale des régimes temporels, dans le domaine visible et infrarouge
(longueurs d'onde télécom). Etude de matériaux isolants et semiconducteurs.
1. Photorefractive self-focusing
Theoretical modelling, numerical simulations and experimental validations of temporal evolution, under visible and infrared wavelength (telecom windows). Insulator and semiconductor materials.
2. Interactions de solitons photoréfractifs - Routage et interconnexion optique
Modélisation des systèmes. Etudes des propriétés temporelles d'inscription et de guidage. Autoalignement laser- fibre. Routage optique par
interaction de solitons.
3. Dynamique non linéaire de lasers à semi-conducteurs
Modélisation, simulation et étude expérimentale des comportements
dynamiques non-linéaires de lasers à semi-conducteurs (dont les
VCSELs) soumis à une rétroaction ou une injection optique. Analyse
des dynamiques auto-pulsées et de leur transition vers le chaos optique.
4. Transmission sécurisée de données encryptées dans du chaos
optique
Modélisation, simulation, et étude expérimentale de la synchronisation
de chaos entre lasers couplés. Encryption de données dans du chaos
optique, communication sécurisée à haut débit et décodage des données.
5. Instabilités spatio-temporelles en cavité non-linéaire
Etude théorique et expérimentale des formes d'auto-organisation de la
lumière (patterns optiques, solitons de cavité, chaos).
2. Photorefractive solitons interactions - Routing and optical interconnects
System modelling. Studies on temporal properties of writing and guiding. Self-alignement laser diode-fiber. Optical routing via solitons
interaction.
3. Nonlinear dynamics of semiconductor lasers
Modelling, simulation, and experimental study of nonlinear dynamical
behaviours of semiconductor lasers (including VCSELs) subject to optical feedback or optical injection. Analysis of self-pulsating dynamics and
their transition to optical chaos.
4. Secure transmission of data encrypted within optical chaos
Modelling, simulation, and experimental study of synchronisation of
chaos between coupled lasers. Encryption of data embedded into optical
chaos, secure communication at high bit rates and data recovery.
5. Spatio-temporal instabilities in nonlinear cavities
Theoretical and experimental study of light self-organization (optical
patterns, cavity solitons, chaos).
Marc SCIAMANNA
Delphine WOLFERSBERGER
Équipe OPTEL - LMOPS
Campus de Metz
Tél. : +33 (0) 3 87 76 47 05
Campus de Metz
Tél. : +33 (0) 3 87 76 47 04
100
6.6 Photonique non linéaire
Non Linear Photonics
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Control of nonlinear cavity modes by photonic lattices
Contrôle de modes de cavités non-linéaires par un réseau photonique
Nicolas Marsal
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Résumé
Nous étudions le contrôle de la formation de patterns (motifs lumineux auto-organisés) dans un système non linéaire
dissipatif à rétroaction optique, composé d'un cristal photorefractif possédant une modulation périodique de son indice de
réfraction. Nous identifions trois mécanismes pour le contrôle de patterns : la suppression des modes du pattern par effet bande
interdite, la création de nouveaux modes dépendants de la périodicité de l'indice, le contrôle de la position transverse du
pattern.
Experimental Setup
Periodic photonic structures have proven to enable manipulation of the fundamental aspects of wave propagation. The implementation of such structures inside a cavity can lead to novel nonlinear phenomena, including discrete cavity modulational instability and discrete cavity soliton [1]. In this
study, we present the manipulation of modulational instability in a nonlinear dissipative cavity by a periodic photonic lattice. We use a photorefractive system made of a baryum titanate crystal in a single feedback mirror
configuration (Figure 1) exhibiting hexagonal patterns formation.
Additionally, we impose an optical lattice to induce one or two-dimensional
photonic band-gap structures with variable parameters.
Figure 1: Photorefractive crystal in a single feedback configuration.
M: mirror, L: distance between mirror and crystal, F and B correspond to the
forward and backward beams at the origin of the pattern formation. kP is
the wave vector selected by the system, associated to the wavevector of the
reflection grating (vertical green lines).
In our experiments we employ the setup shown in Fig. 1. It contains a photorefractive two-wave mixing in a reflection grating geometry and a tunable
single feedback. In this counterpropagating configuration, the laser beam
becomes unstable against modulational instability and sidebands arranged
in hexagonal patterns grow from scattered light appearing from this geometry [Fig 2(a)]. Their directions are determined by both the phase matching in the nonlinear gain medium and the effect of diffraction introduced
by the feedback. A lot of transverse k-vectors can appear but only the one
with the lowest gain threshold will grow [2].
To create a periodic optical lattice, a Gaussian beam is sent through a 1D
transmission grating with variable periodicity. The first diffraction orders
are then selected and recombined in the crystal to create a periodic modulation of the material refractive index, thanks to the photorefractive effect.
Results
in figs. 2,3 represent the position of the bandgap of the photonic lattice, situated at kL/2 and corresponding to the edges of the first Brillouin zone [3].
An important configuration for bandgap control of the optical patterns is
the one where the periodicity of the optical lattice is such that kL=√3kP. In
this case, some spots of the hexagonal pattern are situated exactly in the
bandgap region of the optical lattice [Fig. 3(a)], pattern and lattice beams
intensities being comparable. By increasing the lattice beam intensity,
IL=5IP [as seen by the two brighter outer spots in Fig. 3(b) compared to
Fig. 3(a)], the modulational instability can be suppressed in the bandgap
region [Fig. 3(b)] , [3].
Figure 3: Bandgap inhibition of instability modes. (a) Co-existence between
nonlinear pattern and linear diffraction for kL=√3kP and IL=IP. (b)
Suppression of instability modes for kL=√3kP and IL=5IP.
The results above are obtained in a range of parameters for which the pattern beam dominates the dynamics. This situation can be changed if we
decrease the pattern beam intensity below the threshold (Ith) for the hexagon formation. In this case, we have found (Fig 4) that the presence of the
lattice periodicity can induce a new optical pattern solution that reflects the
lattice geometry [3].
Figure 4: Seeding of instability modes. Diagonal pattern obtained at intensity below the hexagon formation threshold with (a) kL=1.3kP(hexagons) and (b)
kL=2.2kP(hexagons). kP is the new wavevector associated with the new diagonal
pattern.
Finally, a control of the hexagon orientation in its transverse plane can be
achieved when the lattice and pattern wavevectors have the same magnitude [3].
In conclusion, we have demonstrated a new method for controlling the pattern formation in a single feedback system that takes advantage of the presence of an optically induced photonic lattice.
Figure 2: Far-field patterns. (a) hexagonal pattern without lattice, (b)
linear diffraction on the lattice, (c) co-existence between nonlinear pattern
and linear diffraction for kL=2.2kP.
Figure 2(a) shows the typical far-field hexagonal pattern formed in the
absence of the lattice. To test the strength of the optical lattice, we temporarily remove the feedback mirror and monitor the far-field of the pattern
beam diffracted on the optical lattice created inside the crystal [3]. The pattern beam diffraction gives rise to the two outer spots appearing along the
diagonal, corresponding to the 45° lattice orientation, as seen in Fig. 2(b).
The arrows in fig. 2(a,b) represent the transverse wavevectors associated
with the hexagonal pattern (kP) and the optical lattice (kL). The dashed lines
Recherche Research
References
[1] D. Gomila, et al, Phys. Rev. Lett. 92, 253904 (2004).
[2] T. Honda, Opt. Lett. 18, 598 (1993).
[3] N. Marsal, D. Wolfersberger, M. Sciamanna, G. Montemezzani,
D. Neshev, Opt. Lett. 33, 2509 (2008).
2009 / 2011
101
6.
6.7
Matériaux pour l'UV et composants optoélectroniques
UV materials and Optoelectronics devices
Les composants à semi-conducteurs à base d'alliages nitrurés fonctionnant dans le lointain et le proche UV (250 nm < < 500 nm) connaissent
actuellement un intérêt croissant. Les détecteurs ou émetteurs de lumière de ce type permettent en effet d'envisager de nombreuses applications
dans le domaine du photovoltaïque, de la médecine, de la protection de
l'environnement ou encore de la détection de substances explosives. Les
propriétés électro-optiques des alliages de base pour la fabrication de ces
composants restent néanmoins mal connues et de nombreuses études sont
nécessaires pour une optimisation de leurs performances.
Les autres gammes de longueurs d'onde, telles que le proche et le moyen
IR, ne sont cependant pas délaissées car elles restent idéales pour d'autres
applications spécifiques comme la détection de gaz polluants ou les télécommunications optiques à condition de disposer de sources lumineuses
aux propriétés adaptées.
III-N based semiconductor devices operating in the near- and far-UV
(250 nm <
< 500 nm) are currently of great scientific interest. Indeed,
such light emitters or detectors can be involved in numerous applications
as photovoltaic cells, medicine, environment monitoring or detection of
explosive matters. However, the knowledge concerning the electro-optical
properties of the key alloys which constitute these devices still remains
imperfect and numerous studies continues to be necessary in order to
improve the performances of devices.
Nevertheless, other wavelength ranges, such as near- and mid-IR, are not
forsaken since they appear as ideal for gas detection or optical telecommunications for example, on the condition of having light sources with the
adapted properties.
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Sujets
Topics
1. Conception de miroirs de Bragg à haut pouvoir réflecteur
dans l'UV ( < 400 nm)
Modélisation des propriétés électro-optiques des alliages du système
AlGaInN pour la conception et l'optimisation de miroirs de Bragg à
couches quart d'onde.
Ces miroirs sont destinés à être insérés dans des structures à cavité
verticale type RC-LED ou VCSEL fonctionnant dans l'UV.
1. Design of high reflective Bragg mirror in the UV wavelengh
range ( < 400 nm)
Modelling of the electro-optical properties of AlGaInN alloys for the design and the optimization of quarterwavelength layers Bragg mirrors.
These mirrors are intended to be inserted in vertical cavity structures,
RC-LED or VCSEL, operating in the UV range.
2. Modélisation des propriétés électriques thermiques et optiques
des composants
Développement d'outils de calcul de la conduction électrique dans les
composants. Injection de porteurs dans les jonctions tunnel, structure
de bandes… Modélisation de la dissipation thermique dans les lasers.
Recherche de la consommation minimale. Application aux lasers à
2.3 µm pour la spectroscopie et la détection de gaz et à 1.55µm pour les
télécommunications optiques.
3. Composants à cavité continuum
Conception et caractérisation de laser en cavité externe avec miroir de
Bragg à réseau chirpé en régime dit continuum. Application aux amplificateurs optiques résonants, aux filtres passe bande et aux LEDs fonctionnant en régime laser.
2. Modelling of thermal, electrical and optical properties of devices
Development of modelling tools for electrical conduction in devices: band
structures, current injection in tunnel junction. Thermal dissipation in
components. Investigation of power consumption minimization.
Application to 2.3µm laser for spectroscopy or gas sensors and 1.55µm
for optical telecommunication.
3. Continuum cavity devices
Design and characterisation of external cavity laser including chirped Bragg
reflectors in a continuum cavity. Application to resonant optical amplifiers,
narrow band passive filters and LEDs operating in laser regime.
4. Innovative Bragg mirrors
Design, modelling and development of sub-wavelength Bragg mirrors
allowing the control of light polarization and intended to be inserted in
III-Sb semiconductor VCSELs emitting at > 2.6 µm .
4. Miroirs de Bragg innovants
Conception et développement de miroirs de Bragg sub-longueur d'onde
à réseau gravé de surface permettant le contrôle de la polarisation et
destinés à être insérés dans des VCSELs émettant à > 2.6 µm.
Frédéric GENTY
Joël JACQUET
Campus de Metz
Tél. : +33 (0) 3 87 76 47 19
Campus de Metz
Tél. : +33 (0) 3 87 76 47 68
102
6.7 Matériaux pour l'ultra violet et composants optoélectroniques
UV material and optoelectronic devices
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AlGaN / InGaN Bragg reflectors for UV VCSELs
Réflecteurs de Bragg à base de AlGaN / InGaN pour les VCSELs ultraviolets
Joël Jacquet
Frédéric Genty
Abdallah Ougazzaden
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Résumé
Les lasers à cavité verticale et émission par la surface (VCSELs) présentent des avantages bien connus par rapport aux lasers
classiques à émission par la tranche comme un fonctionnement monomode longitudinal intrinsèque, une faible divergence du
faisceau en sortie, une faible puissance de consommation et un faible coût de fabrication (traitement collectif sur plaque, test
automatisé….). Les VCSELs émettant dans l'ultra violet (300 nm) trouvent de nombreuses applications dans le domaine de la
spectroscopie, du stockage de l'information ou de l'analyse médicale ou biologique. Les matériaux semi-conducteurs à base de
GaAlN sont bien adaptés pour répondre à ce besoin ; mais la technologie n'est pas suffisamment mature pour ces nouveaux
matériaux. En particulier, la fabrication des miroirs de Bragg nécessite de contrôler chaque étape avec une très grande précision. Les propriétés électriques, optiques et thermiques de ces miroirs doivent être maîtrisées parfaitement pour obtenir un
VCSEL à hautes performances.
Wavelength (nm)
Introduction
AlGaN has proved to be promising Nitride alloy for UV DBRs. But it suffers
lowest refractive index contrast, lattice mismatching and stress between the
layers that leads to formation of creaks and dislocations in layers [1]. To
overcome the shortcomings of AlGaN, other Nitride alloys like InGaN and
AlInN have obtained much attention for researcher from few years. Lattice
matching issue can be overcome by using GaN/Al0.82In0.18N DBRs with larger refractive index contrast, whereas AlGaN / InGaN DBRs could be useful to overcome the stress in layers with larger refractive index contrast [1].
Figure 1 is a representation of the material used.
Figure 2: lowest wavelength that can be obtained for a given number of
Bragg mirror period for different x1.
Figure 1: Bandgap & lattice parameters of AlInGaN material
As can be seen in the figure, the lowest wavelength can be obtained with
material rich in Al content. Decreasing x1 leads to an increase of the minimum wavelength. This is of course attributed to the absorption edge that
increases when x1 decreases. The lowest wavelengths show saturation at
high number of periods at a value corresponding to the energy gap wavelength added to the 40 nm margin we have taken arbitrarily. Decreasing x1
requires a higher number of periods to reach a wavelength.
AlGaN Bragg reflectors
AllnN or InGaN based reflectors
The best way for the fabrication of such mirrors is the use of AlxGa(1-x)N /
GaN family material. The highest index contrast is obtained with x=1
(AlN/GaN). However this material suffers from large lattice mismatch leading to poor material quality (including dislocations) that will limit the
number of period that can be grown. In particular we may use this mirror
as bottom reflector and want to grow the active layer on it. In that case, the
material quality should not affect the recombination in the active medium.
Finally, GaN material has a band-gap energy around 360nm; the design of
high reflectivity mirror for VCSEL emitting around 300 nm or below will
require optimisation of material composition to limit their absorption. It is
the reason why, it is very important to have a good design of Bragg mirrors
and to use accurate modelling tools that will give guideline for their fabrication.
To overcome the shortcomings of AlGaN, other Nitride alloys like InGaN
and AlInN have obtained much attention for researcher from few years.
Lattice matching issue can be overcome by using GaN/Al10.82In0.18N DBRs
with larger refractive index contrast. Whereas AlGaN / InGaN DBRs could
be useful to overcome the stress in layers with larger refractive index
contrast.
In order to find optimal parameters for a 99,5% reflective DBR, we developed a software which reckons the minimal operating wavelength and the
compositions Al for a given number of periods m. Therefore, if we fix the
reflectivity and the Al molar fraction of the first layer x1, for each value of
m, there will be a limit value of lambda respecting the previous conditions.
The limit value of lambda is 40nm superior to the minimum band-gap of the
two layers constituting the DBR.
Figure 2 shows, for several x1 compositions and for each number of periods
ranging from 10 to 50, the evolution of the minimum operating wavelength.
The maximum number of periods is fixed to 50 which is a reasonable number if we consider the quality of the material that we can grow in our equipment.
Recherche Research
We consider the possibility to design balanced compressive and tensile
stress AlGaN/InGaN DBRs. A compensated mirror has been designed for
550nm. The layer compositions are Al0.32Ga0.68N / In0.08Ga0.92N. More than
73 periods are required to achieve a reflectivity in excess of 99.95%. Such a
high number is definitely too high to hope the fabrication of VCSEL using
such mirrors.
Reference
[1] C. Alhenc-Gelas, P. Heroin, M. Abid, J. Jacquet, S. Gautier, A.
Ougazzaden. Design rules of high reflectivity Bragg GaAlN mirrors for
300nm VCSELs, Photonics West 09, SPIE Proceedings, paper 7229 22, San José (USA), January 09.
2009 / 2011
103
6.
6.8
Contrôle optique des microstructures
et capteurs optiques
Optical control of microstructures
and optical sensors
Cette activité du LMOPS répond à deux objectifs différents.
This activity of the LMOPS aims at two different objectives.
Le premier concerne le contrôle optique des microstructures, pour l'optimisation des propriétés fonctionnelles de matériaux diélectriques à propriétés optiques linéaires ou non linéaires, et retour éventuel aux paramètres de préparation.
The first one concerns the optical control of microstructures, in order to
optimize the functional properties of dielectric materials with linear or
nonlinear optical properties, possibly with feedback on the preparation
parameters.
Le but du second thème, « Capteurs optiques », est d'élaborer différents
capteurs utilisant les principes optiques (la spectrométrie en particulier).
Ces capteurs permettent à la fois d'identifier les constituants d'un produit,
ses défauts, de suivre un process en temps réel (transformations, cristallinité, phase...) et aussi de mesurer des grandeurs métrologiques telles que
la concentration d'une solution, des distorsions mécaniques, une
variation de température...
The purpose of the second, "Optical sensors", is to elaborate various sensors
using optical principles (spectrometry in particular). These sensors allow at
first to identify products and defects as well as to follow a real-time process
(product transformations, crystallinity, phase...), but also to monitor metrological parameters such as the concentration of a mixture, mechanical distortion, temperature variation...
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Sujets
Topics
1. Contrôle optique des microstructures
a. Guides d'onde de niobate de lithium
Etude de la structure modifiée par le dopage et les traitements. Défauts
intrinsèques et extrinsèques. Polarons. Profil de diffusion. Lien avec les
propriétés optiques linéaires et non linéaires, en particulier photoréfractives.
b. Micro-nanostructures du PPLN
Etude des domaines ferroélectriques antiparallèles. Murs de domaines.
Influence des techniques de préparation, de la composition et du dopage. Imagerie Raman.
c. Couches minces diélectriques (SiO2...)
Etude de la structure de couches de silice, selon les paramètres d'élaboration et les post-traitements. Caractérisation optique et spectroscopique : luminescence, absorption, FTIR, Raman… Effet du vieillissement et l'illumination UV sur la structure et les propriétés optiques.
1. Optical control of the microstructures
a. Waveguides in lithium niobate
Study of the structure modified by doping and treatments. Intrinsic and
extrinsic defects. Polarons. Diffusion profile. Link with linear and nonlinear optical properties, photorefraction in particular.
b. Micro-nanostructures of PPLN
Study of antiparallel ferroelectric domains. Domain walls. Influence of
preparation techniques, composition and doping. Raman imaging.
c. Dielectric thin films (Si02...)
Study of silica layers structure, in relation with preparation parameters
and post-treatments. Optical and spectroscopic characterization: luminescence, absorption, FTIR, Raman… Effects of aging and UV illumination on structure and optical properties.
2. Capteurs optiques
a. Sels en solutions aqueuses
Identification de la nature du sel en solution. Etude de la transformation de phase liquide/solide. Détermination de la concentration de sel.
b. Polymères : contrôle et suivi de process
Etude de l'orientation, du degré de cristallinité et de la déformation d'un
polymère. Suivi de process d'élaboration. Etudes on line, at line, off line.
c. Applications médicales
Etude in situ de la composition de milieux biologiques.
2. Optical sensors
a. Salts in aqueous solutions
Compound identification in solution. Study of the liquid/solid phase
transition. Measurement of the salt concentration.
b. Polymers: control and monitoring process
Study of the orientation, the cristallinity and the deformation of a polymer. Monitoring of the elaboration process. On line, at line and off line
studies.
c. Medical applications
In situ study of the composition of biological media.
Patrice BOURSON
Marc FONTANA
LMOPS
Campus de Metz
Tél. : (0) 3 87 37 85 64
LMOPS
Campus de Metz
Tél. : (0) 3 87 37 85 72
104
6.8 Contrôle optique des microstructures et capteurs optiques
Optical control of microstructures and optical sensors
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Raman sensors: interest and applications
Capteurs Raman : intérêt et applications
Patrice Bourson,
Jean-Marie Chassot,
Marc Fontana
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Résumé
Nous démontrons l'intérêt des capteurs Raman pour différents types d'études en chimie et en physique. Nous illustrons les
avantages de cette technique dans deux applications que nous avons récemment étudiées. Pour la première application industrielle, nous avons rapporté la contrainte appliquée à un polymère durant sa déformation à l'intensité de son spectre Raman.
Pour la seconde application, nous sommes parvenus à déterminer la concentration de NaCl en solution. Dans chacun des cas,
nous développons notre propre traitement du signal afin d'extraire l'information attendue de l'intensité de diffusion Raman.
Raman spectroscopy
The Raman spectroscopy (RS) results in an inelastic collision between the
exciting light beam with the substance under study. The energy shift of the
photons provides the energy (frequency) of the optical phonons characterizing the substance. Therefore, a Raman line being often specific for a vibrational mode, RS can be used to identify the associated chemical bond responsible, by example, for a phase transition.
Three informations can usually be derived from the treatment of a Raman
line. The first one is the position of the maximum of the peak, which is sensitive to any external parameter such as the temperature, the pressure,…
influencing the substance. The FWHM (Full Width at Half Maximum) of the
Raman peak reflects the ordered or disordered character of the structure. At
last, the third parameter is the intensity at the peak maximum, or still the
integrated intensity of the Raman line. Their relative changes can be related to the concentration of the species active in those particular vibration
mode. The peak position (mode frequency), the linewidth (damping) and
intensity extracted from a Raman line can therefore be used for the determination of physical parameters in a Raman sensor.
RS is a well established technique to study the vibrational properties of a
solid, liquid or gas, in relation with the structure and properties of the substance. It is less frequent to use RS as a probe of the physical characteristics of a substance. One of the main advantages of the Raman sensor is the
combination of the determination of a physical parameter, as in usual sensors, with the physical microscopic mechanism associated with the change
of this parameter. An additional advantage of the Raman probe is its nondestructive character: being contactless and needing no preparation of the
sample, these probes can efficiently be used as sensors in different industrial context. Finally, Raman sensors are enabled to employ recent technical
improvements in the development of smart apparatus, with higher spatial
resolution and possibilities of long-distance or on-line measurements.
intensity of these two particular bands can therefore be used to evaluate the
preferential orientation of the carbon chains in the crystalline phase. As
expected, Figure 2 shows that Rorient increases with the deformation and
reflects a progressive orientation of the crystalline phase chains along the
tensile direction.
Figure 2: Strain dependence of Rorient as signature of the crystalline phase
orientation of iPP under uniaxial deformation. Stress - strain curve is reported as well for comparison.
The ratio Rorient beween two integrated Raman intensities can therefore be
considered as a pertinent parameter to measure the strain and the partial
orientation in this kinds of polymers. Based on this method, a Raman sensor of mechanical deformations is under progress.
Determination of the salt concentration in a solution
In this second application, we proved that RS is an efficient tool to determine the salt concentration in a liquid solution. Actually, Figure 3 shows
how Raman unpolarized backscattering measurements can be used in order
to quantify the effect of salt on the O-H stretching modes of water. The salt
concentration is then deduced from these changes observed in the water
Raman spectrum.
Determination of the strain in a polymer
Our first application concerns the characterization of a semi-crystalline
polymer during its uniaxial deformation. In particular we have studied the
effects of the mechanical stress on the microstructure of an isotactic polypropylene (iPP) by performing Raman polarized backscattering measurements.
Figure 3: Influence of the salt concentration on the Raman spectrum
of a NaCl aqueous solutions (a). Sensor calibration (b): correlation between
the ratio of integrated Raman intensities (high and low-frequency parts of
the O-H stretching modes) and the NaCl concentration. (20°C, standard
pressure).
Furthermore, each phase (liquid/solid) and each type of salt presenting a
specific signature, the state of the solution (water/ice) and the nature of the
salt can be identified as well.
References
Figure 1: Part of the Raman spectrum measured in polarized
configuration on iPP samples ( = 785 nm exciting line, E parallel to the
tensile direction)
Figure 1 shows how much a large difference in Raman band intensities is
observed between a non deformed ( = 0) and a deformed sample ( = 1.2).
By keeping light polarization direction parallel to the tensile direction,
Raman scattering is principally excited from the C-C skeletal backbones
mainly oriented towards the deformation direction (increase of the
973 cm-1 band intensity). Simultaneously, Raman scattering produced from
the CH3 lateral alkyl groups is less activated with the deformation (decrease of the 998 cm-1 band). The ratio Rorient = I(C-C) / I(CH3) of the integrated
Recherche Research
[1] G'Sell C., Hiver J.M., Dahoun A., "Experimental characterization of
deformation damage in solid polymers under tension, and its interrelation with necking”, Int. J. Solids Struc., 39, 3857 (2002).
[2] Martin J., Poncot M., Bourson P., Dahoun A., Hiver J.M.,, “Study of the
crystalline phase orientation in isotactic polypropylene by Raman spectroscopy: post-mortem and in-situ measurements”, submited, Polymer
Eng. Sci., 2009.
[3] D. M. Carey, G. M. Korenowski, “Measurement of the Raman spectrum
of liquid water”, J. Chem. Phys., 108(7), 2669 (1998).
2009 / 2011
105
106
7. ÉNERGIE
ENERGY
7
107
7.
ÉNERGIE
ENERGY
7.1
Systèmes électriques et réseaux d'énergie
Power Systems
Le système électrique est en pleine évolution : insertion des énergies
renouvelables, de dispositifs d’électronique de puissance (FACTS) et de
stockage, réseaux intelligents, ouverture des marchés, gestion de la
demande, mais aussi l’impact des futurs véhicules électriques. Par
ailleurs, les réseaux électriques ont dépassé le seul cadre du transport et
de la distribution publique ou industrielle. Désormais ils ont un rôle
majeur dans les systèmes embarqués où les générateurs, moteurs et
actionneurs électriques sont de plus en plus utilisés.
Actuellement les « smart grids » sont au cœur des thèmes de recherche.
L’utilisation des TIC doit permettre d’améliorer la gestion de la charge
(avec une demande élastique aux prix), d’optimiser le fonctionnement des
réseaux (réseaux de distribution reconfigurables) afin d’accroitre la disponibilité et la qualité tout en favorisant le développement des énergies
renouvelables.
Le contexte concurrentiel des marchés de l’électricité, l’optimisation technico-économique des grands systèmes électriques avec les nouvelles règles
économiques et les opportunités technologiques en matière de production
délocalisée ou de stockage d’énergie constituent un réel enjeu, dans un secteur où les critères environnementaux ne peuvent plus être négligés
Power systems are evolving: renewable energy sources - RES - and storage
devices integration, FACTS, smart grids, electricity markets, demand response, and increasing demand from electric vehicles. At a smaller scale,
embedded electrical systems are also subjected to new challenges with an
increase of electrical generators, motors, and actuators.
'Smart grids' appear as one of the most challenging actual issues. Making
the best use of ICT to improve demand side management, and optimize the
power system operation (reconfiguration of distribution networks, RES
integration …) could enhance both reliability and quality of service.
Optimisation of large power systems taking into account new economic
rules and environmental criteria, along with the new opportunities which
have opened up in the field of distributed power source, energy storage and
demand response, is undoubtedly a real challenge for the next years.
...........................................................................
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Sujets
Topics
1. Fonctionnement et surveillance des réseaux électriques
Gestion du plan de tension et de la puissance réactive.
Commande de disjoncteurs pour l’enclenchement optimal d’ouvrages.
Modélisation, contrôle et impact sur la stabilité de liaisons HVDC.
Conception d’algorithmes de protection, localisation de défauts.
Qualité de l’énergie : impact des harmoniques, classification des
perturbations. Estimation d’état.
1. Control and supervision of power networks
Reactive power and voltage control.
Switchgear command for optimal energizing.
Modelling and control of HVDC links. Impact on stability.
Design of digital relaying and fault location.
Power quality: harmonics, events classification.
State estimators.
2. Intégration des énergies renouvelables
Modélisation probabiliste des moyens de production renouvelables.
Insertion des bâtiments à énergie positive. Stockage.
2. Renewable sources integration
Probabilistic modelling.
Integration of positive energy buildings. Storage.
3. Optimisation technico-économique des grands réseaux
Projet fédérateur €nergie (http://www.supelec.fr/deptenergie/)
Tarification du transport d’énergie, conception et analyse de règles de
marché. Calcul des capacités aux interconnexions. Valorisation des
services « systèmes ». Gestion des congestions.
3. Technical and economic optimization of large power networks
http://www.supelec.fr/deptenergie/Energie/ Welcome.html
Electricity transmission pricing. Market design.
Management of congestions (market splitting, spot pricing, etc.).
Cross-border lines available capacity.
Economic analysis of ancillary services.
4. Systèmes embarqués
Modélisation et simulation d’un réseau de bord automobile 14 V.
Modélisation et optimisation des lois de gestion d’un véhicule
électrique.
Impact de la filière « véhicule électrique » sur le système électrique.
5. Foudre
Protection des structures par paratonnerres.
Phénoménologie de la foudre et ses aspects climatiques.
Analyse de l'efficacité des réseaux de détection et localisation des
éclairs.
4. Embedded systems
Modelling and simulation of a 14V automotive network.
Modelling and optimization of an electric vehicle.
Interaction between power network and electric vehicles.
5. Lightning
Protection of structures with lightning rods.
Lightning phenomenology and its climatic aspects.
Efficiency of lightning detection network.
Marc PETIT
Gérard BERGER
Sujets 1 - 4 / Topics 1 - 4
Département Électrotechnique
et Systèmes d'Énergie Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 15 33
Sujet 5 / Topic 5
LPGP - Équipe DEA
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 15 36 73
108
7.1 Systèmes électriques et réseaux d'énergie
Power systems
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Decentralized optimization of multi-area power systems
Optimisation décentralisée des grands systèmes électriques
Yannick Phulpin
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Résumé
Cette recherche vise à développer des méthodes de coordination du réglage de tension pour les systèmes électriques contrôlés par
plusieurs gestionnaires de réseau. Le problème est formalisé comme une optimisation successive des consignes données aux
groupes de production et de compensation en fonction d'une prévision d'état statique du système. Il s'agit alors de définir une
procédure type pour les gestionnaires de réseau de sorte à obtenir un point de fonctionnement satisfaisant chaque partie tout
en minimisant les besoins d'échanges d'information. L'approche proposée consiste à laisser chaque gestionnaire de réseau optimiser son propre système en représentant ses voisins avec des équivalents simples dont les paramètres sont estimés à partir
d'observations internes seulement. Les résultats obtenus montrent que des performances quasi-optimales peuvent être atteintes
avec certains équivalents.
Introduction
Results
Control and optimization of multi-area power systems often rely on decisions made by local utilities regardless of their impact on the other areas of
the interconnected systems. This type of non-coordinated operation may
lead to suboptimal system operation and induce significant errors in power
flow prediction, which might cause severe disturbances. Consequent to such
events, a better coordination among system operators has been advocated.
Hence, different centralized control schemes have been proposed to coordinate power markets or reactive power dispatch [1]. They are usually intended for a centralized control center, which gathers information from the different utilities, makes decision for the entire system, and advises system
operators with respect to control actions. To avoid information exchange and
reduce computation complexity, decentralized approaches have also been
proposed. In [2], a decentralized scheme is proposed where the different system operators concurrently schedule reactive power dispatch within their
own control area while representing the neighboring areas with external
network equivalents whose parameters are fitted based on local measurements only.
Simulation results have shown that, whereas the coordination does not
rely on any explicit information exchange, nearly optimal performance can
be achieved with relatively simple equivalents in the context of singleobjective time-invariant and time-varying power systems.
In addition, further research has also investigated the performance of the
scheme when the system operators have individual objectives of different
types (e.g., some focus on active power losses while others on reactive
power support), as it usually occurs in real systems. Such a study has
required the definition of a quantitative index D(k) that reflects the fairness of multi-party resource allocations, which is introduced in [4]. Figure
2 depicts the evolution of D(k), when the decentralized scheme is applied
to a UCTE-like 4141 bus system with seven system operators. It can be
observed that PQ equivalents lead to nearly optimal performance,
although system operators have no information on the configuration outside of their own control area.
Proposed approach
To address the coordination problem in time-varying systems, an advanced decentralized control scheme was proposed in [3]. The coordination
relies on guidelines for every system operator to optimize the control settings located in its control area as shown in Figure 1. In practice, at every
instant k, each system operator TSOi models the external system with a
set of parametric equality constraints, which correspond to a simple external network model whose parameters are denoted by zi*(k). Then, it solves
the optimization problem in its own control area, applies locally optimized
control actions ui*(k) to the interconnected power systems, and makes
measurements zis(k) that will serve later to update zi*(k+1).
Figure 2: Suboptimality index D(k) as a function of discrete time k in a
UCTE-like system with 4141 bus and seven system operators with PQ
equivalents, PV equivalents, and the centralized minimization of D(k)
References
Figure 1: The role of TSOi in the decentralized optimization scheme.
The scheme is obviously simple since it involves no need for communication between the different system operators or for a centralized authority
to coordinate their actions. While different external network models could
be advocated (e.g., PQ, PV, REI, Thévenin, Non-reduced power system), it
is demonstrated in [2] that constant PQ equivalents lead to the best performance. In addition, adaptive parameter tracking strategies have been
proposed to derive zi*(k) from the record of local measurements by considering changes in the system configuration, or prediction errors at the
previous instants. As emphasized in [3], better performance is obtained
with tracking strategies whose dynamics are fast after significant variations (loss of a line, for example) and slow when the system is subjected to
small variations of operation conditions.
Recherche Research
[1] Y. Phulpin, M. Begovic, M. Petit, D. Ernst, “A fair method for centralized optimization of multi-TSO power systems,” Int Journal of
Electrical Power and Energy Systems, pp. 1-7, 2009.
[2] Y. Phulpin, M. Begovic, M. Petit, J. Heyberger, D. Ernst,
“Evaluation of network equivalents for voltage optimization in multiarea power systems,” IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 24,
pp. 729-743, May 2009.
[3] Y. Phulpin, M. Begovic, M. Petit, D. Ernst, “Decentralized reactive
power dispatch for a time-varying multi-TSO power systems,” Proc of
the HICSS-42, pp. 1-8, Jan 2009.
[4] Y. Phulpin, M. Begovic, M. Petit, D. Ernst, “On the fairness of centralized decision-making strategies in multi-TSO power systems,”
Proc of the PSCC, pp. 1-7, July 2008.
2009 / 2011
109
7.
ÉNERGIE
ENERGY
7.2
Électronique de puissance
Power Electronics
L'électronique de puissance constitue un moyen et non une fin. Un convertisseur doit s'adapter à un système et non l'inverse. Il doit être fiable, facile à industrialiser au moindre coût et conforme aux normes en vigueur,
notamment en matière de compatibilité électromagnétique.
Dès lors, il nous a semblé opportun de rechercher des principes de conversion, des topologies et des technologies aptes à minimiser le nombre de
composants, les contraintes qui leur sont appliquées et les perturbations
électromagnétiques.
En outre, le choix d'une fréquence de découpage élevée, rendu possible par
diverses techniques de commutation douce, nous paraît propice à la réalisation de convertisseurs compacts et rapides.
Power electronics are a means, not an end. Thus a converter must be adapted to a system and not the other way around. It must be reliable, easy to
industrialize at the lowest cost, and it must comply with current standards,
especially those regarding electromagnetic compatibility.
Therefore, in our study, we found it suitable to look for conversion principles, topologies and technologies capable of minimizing the number of
components, any constraints applied to them as well as electromagnetic
disturbances.
In addition, the choice of a high switching frequency, made possible by
using various soft switching techniques, was found to be the most appropriate for producing fast, compact power supplies at low cost.
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Sujets
Topics
1. Conception de convertisseurs à commutation douce
Alimentations en courant continu fonctionnant au delà de 1MHz pour
les télécommunications (exemples : forward 100 W, demi-pont 500 W,
pont 2000 W).
Alimentations en courant continu de très faible puissance (exemple :
alimentation 1 W avec correction du facteur de puissance).
Alimentations en courant continu sous faible tension, à rendement
élevé, dont certaines fiabilisées pour l'aéronautique.
Alimentations en courant alternatif sous tension élevée pour tubes fluorescents et pour tubes à rayons X.
Onduleur BF à transformateur HF (exemple : 50 Hz, 500 kHz, 500 W).
1. Design of soft switching converters
DC power supplies working beyond 1MHz for telecommunications
(examples : forward 100 W, half bridge 500 W, bridge 2000 W).
Very low power DC supplies (example: a very small 1 W converter with
power factor correction).
High efficiency low voltage DC power supplies among which some very
reliable converters for aeronautics.
High voltage AC power supplies for fluorescent lamps and for X-rays
tubes.
Low frequency inverter with high frequency transformer (example:
50 Hz, 500 kHz, 500 W).
2. Conception de convertisseurs à absorption sinusoïdale
Correcteurs de facteur de puissance monophasés et triphasés pour le
réseau public et pour l'aéronautique.
Structures assurant les fonctions de correction et d'alimentation continue en un seul étage avec un unique transistor.
Structure assurant les fonctions de filtre actif, de chargeur de batterie
et d'onduleur de secours en un seul étage
2. Design of converters with sinusoidal absorption
Single-phase and three-phase power factor correctors for the public network and the aeronautics industry.
Single-stage topologies ensuring the functions of a power factor corrector and DC power supply with only one transistor.
Single stage topology ensuring the functions of an active filter, battery
charger and AC uninterruptible power supply.
3. Modélisation de convertisseurs
Modélisation en régime de variations lentes et de faible amplitude des
convertisseurs continu / continu en vue de les intégrer dans une boucle
de régulation (de la tension de sortie, du courant débité, du courant
consommé…).
Prise en compte de l'environnement des convertisseurs (filtre d'entrée,
nature de la charge…) en vue de proposer des règles de stabilité utiles
au dimensionnement des convertisseurs.
3. Converters modeling
Slow variations and low signal DC/DC converters modeling in order to
integrate them in a control loop (control of the output voltage, output current, input current...).
Modeling of the converter environment (input filter, load...) in order to
propose stability rules useful for dimensioning the converters.
Daniel SADARNAC
Charif KARIMI
Pierre LEFRANC
et Systèmes d'Énergie
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 15 07
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 15 19
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 15 08
110
7.2 Électronique de puissance
Power electronics
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DC-DC converters modeling and control
Modélisation des convertisseurs continu/continu à fin de régulation
Daniel Sadarnac
Muhammad Usman
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Résumé
La modélisation et la commande des convertisseurs de type continu/continu occupent une place importante en électronique de
puissance. La « modélisation moyenne » est la plus courante. Plusieurs variantes sont connues. Nous les avons évaluées et adaptées de manière à prendre en compte les principaux éléments « parasites » d'un circuit électronique, notamment pour le mode
de conduction discontinu (DCM). Un des problèmes essentiels à résoudre pour réguler le débit d'un convertisseur est l'instabilité provoquée par l'inévitable filtre d'entrée. La modélisation des convertisseurs nous a permis de dégager des règles précises
de dimensionnement des filtres dans le but de stabiliser l'ensemble. Un amortissement passif du filtre d'entrée, par résistance, est utilisable à cette fin mais des pertes énergétiques non négligeables peuvent apparaitre. Nous avons donc recherché une
commande capable d'assurer la stabilité.
Modeling
Modeling and control of switched-mode dc-dc converters has occupied a center stage in the field of modern power electronics due to their widespread
military and industrial applications. Averaged modeling is most commonly
applied as an effective tool to analyze dynamic behavior of a converter and
to get physical insights into various dynamical phenomena. State-space
averaged models are widely accepted in practice mainly because of their
simplicity, generality and demonstrated practical utility. Various averaged
models have been presented in literature; however, some fundamental questions regarding averaging methodologies still lack satisfactory answers.
These unresolved modeling issues are primarily related to their practical
validation, inclusion of circuit parasitics and their application to the
control-loop design. One of the primary concerns of this research is to study
and evaluate the performance of averaged modeling of dc-dc converters from
control perspective. In particular, the main emphasis is placed on the theoretical and experimental investigation of averaged modeling in discontinuous conduction mode (DCM). Various analytical averaged models of different orders, presented in literature, are reformulated by including all appropriate parasitic (Figure 1). Parasitics are introduced to take into account
those phenomena which can possibly induce instability. Then, the validities
of these averaged models are experimentally examined by comparing analytical results with experimental results measured from a hardware prototype.
technique. An augmented state-space averaged model is used to design the
controller which combines state-feedback with PI-control loop. First of all a
theoretical approach is presented. Then the effectiveness of the proposed
control algorithm is demonstrated with simulation studies. It appears that
an adequate level of dynamic performance under large perturbations can be
achieved by using a varying gain state-feedback. A pseudo large-signal stability analysis is also performed with the help of this technique.
Importantly, this control strategy assures stability of the system without
using any passive components in the filter circuit and thus avoiding undesirable losses. An alternate control scheme, chosen from the literature, is
also discussed for filter-converter system stability. This scheme is based
upon sliding-mode control and Lyapunov function approach. Its dynamic
performance is compared with that of the full state-feedback controller proposed in this thesis while explaining pros and cons of both control strategies.
Input-filter influence
As far as control is concerned, stability is of prime importance in any dc voltage regulation system. However, closed-loop stability is not guaranteed if a
low-pass filter is present at converter-input. The origin of this problem lies
in the filter interactions with the negative dynamic resistance behavior of
the dc-dc converter input port. Literature provides a gateway to solve this
issue and proposes a “passive” solution to damp the input-filter oscillations.
Although exact values of the required damping resistance can be determined using an ideal converter model, this value is not systematically confirmed through experiments. In this work, small-signal control-to-output
transfer functions are used to systematically formulate some design rules to
avoid instability. Safe operating regions are identified in terms of dampingcircuit parameters and this approach is subsequently extended to the case
of cascade converters. Throughout this study, the small-signal averaged
modeling is used for the stability analysis.
Input-filter damping
Although adding adequate resistance to the filter can solve instability problem, one drawback for which passive damping is commonly criticized is the
undesirable power dissipation in the damping resistors. To properly investigate its adverse impact on conversion efficiency, these damping losses are
quantified in this work. A detailed theoretical power-loss analysis is presented under varying operating conditions followed by its experimental
verification. Obtained results are generalized for all fundamental topologies.
Figure 1: Control to output transfer function magnitude and phase plot
comparison; (a): reduced-order model for ideal converter, (b): reduced order
model with parasitics included, (c): full-order models for ideal converter, (d):
full-order models with parasitics included, (e): corrected full-order model for
ideal converter, (f): corrected full-order model with parasitics included.
Reference
Active damping
One of the main themes of this dissertation is the development of a control
solution for the stability of dc-dc converter in presence of input filter, hence
avoiding the use of dissipative damping. To achieve this objective, this
research suggests the use of full state-feedback control with pole-placement
Recherche Research
[1] Muhammad Usman Iftikhar, “Investigation of DC-DC Converter
Modeling from the Perspective of Control and Input-Filter Influence”,
Doctoral Supélec Thesis, Defended on 15 December 2008.
2009 / 2011
111
7.
ÉNERGIE
ENERGY
7.3
Machines électriques et systèmes de conversion
La souplesse de l'énergie électrique et la qualité de son traitement par les
dispositifs convertisseurs font que les actionneurs électriques sont de plus
en plus utilisés dans des applications performantes. Des appareils spécifiques sont conçus pour répondre au mieux à de nouvelles applications et
des innovations engendrent les évolutions nécessaires pour s'adapter aux
nouvelles contraintes.
Parallèlement, les outils d'analyse des phénomènes régissant le comportement des appareils procurent une meilleure précision pour la définition
des dimensions et des caractéristiques des appareils.
Le matériel peut donc évoluer en vue d’une amélioration de ses performances tout en réduisant ses dimensions et son coût par une conception
ajustée aux spécifications.
La conception spécifique permet de répondre au mieux à un cahier des
charges directement défini par l'application et dépendant du secteur envisagé : Production - transports - usage industriel ou domestique. Des
méthodes d'optimisation basées sur le développement de modèles de différents niveaux sont mises en œuvre dans ce contexte.
Thanks to the flexibility of the electric energy and to the quality of power
converters, the applications using electrical machines perform evermore
effectively. Some specific systems can be designed for new applications
while some evolution make the adaptation to new constraints possible.
At the same time, the tools available for the analysing system performances
increase the accuracy of physical dimensions and characteristics.
As a consequence of a more well-balanced design, the equipment can be
modified to improve its intrinsic performances and can be of reduced
dimensions.
For all these reasons, the use of the electrical machines (rotation or linear)
is increasing in number and often involves a specific design in order to fit
as well as possible the specifications which directly depend on the application and on concerned domains : Energy production, transport, industrial
or house appliances.
Specific optimisation method involving different modelling levels have
been developed and tested for these applications.
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Sujets
Topics
1. Conception et optimisation d'actionneurs
Conception d'actionneurs à circuit magnétique tridimensionnel.
Optimisation d'actionneurs à déplacement rectiligne pour forte charge.
Comparaison de solutions de motorisation : Moteurs à aimants, asynchrone, synchrone à rotor bobiné, à réluctance variable ou à courant
continu. Intégration des contraintes convertisseur et réseau.
1. Design and optimisation of actuators
Design of electrical machines with tridimensional armature.
Linear movement actuators optimisation for heavy loads.
Different drive proposal assessment and comparison: Permanent magnet
structures, induction machines, wound rotor synchronous machines,
Switch reluctance machines, DC motors.
Power quality constraints. Motor and electronic converter matching.
2. Conception et réalisation de systèmes de conversion
Méthodes de synthèse, de simulation et d'analyse pour la conception de
systèmes de motorisation. Utilisation des outils numériques 2D ou 3D
pour réaliser des modèles de conception et les valider.
Optimisation globale de la chaine de conversion d'énergie.
Exemple : conception et réalisation d'une électro-pompe de satellite.
2. Drive system design
Analysis, synthesis and simulation methods to design embedded electrical drive applications. Use of 3D and 2D digital analysis tools for
design model synthesis and model performances assessment.
Global optimisation of the electrical energy conversion chain.
Example: Design and realisation of an electro-pump for satellite.
3. Modélisation fine et outils d'aide à la conception de machines
Développement de modèles multiphysiques analytique et numérique
(éléments finis) de systèmes électromagnétiques.
Outils de CAO de machines à aimants ou machine à réluctance
variable.
3. Accurate modelling of electrical machines and CAD tools
Finite element-type or circuit-type models development of synchronous,
induction and VR machines accounting the non linear phenomena.
CAD tools for PM machines or switched reluctance machine.
4. Amélioration des performances dynamiques et énergétiques et
de la sureté de fonctionnement
Développement de lois de commande non-linéaires et robustes
Réduction du nombre de capteurs par observateurs et estimateurs.
Commande en mode dégradé et reconfiguration de loi de commande.
Gestion de l'énergie dans les systèmes embarqués.
4. Improvement of dynamic and energetic performances and
relibility
Design of robust and non linear control laws of static converters and
electrical machines. Number of sensors reduction by using state observers or estimators. Fault tolerant control architecture.
Energy management in embedded systems.
Jean-Claude VANNIER
Claude MARCHAND
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 15 01
Sujets 2, 3, 4 / Topics 2, 3, 4
LGEP - Équipe COCODI
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 15 05
112
7.3 Machines électriques et systèmes de conversion
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Optimization of a drive system and its epicycloidal gear set
Optimisation d’un système d’entraînement et de son train épicycloïdal
Philippe Dessante
Pierre Vidal
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Résumé
Cette étude décrit le dimensionnement d’un système d’entraînement constitué d’un moteur à courant continu, d’un réducteur
de vitesse et d’une vis sans fin. Ce système est alimenté par un convertisseur de puissance associé à sa source d’alimentation.
L’objectif est de réduire la masse du système car les réductions de volume et de poids sont primordiales pour les systèmes embarqués. Nous présentons un modèle analytique du système pour une application donnée puis une optimisation des dimensions du
moteur et du réducteur de vitesse ainsi que de la tension de la source d’alimentation avec pour objectif la diminution du poids.
The total weight can be expressed by the following expression:
Introduction
The studied system is a linear electrical drive realized with a Ni-MH battery bank, a DC/DC converter, a DC motor, a speed reducer and a lead-screw
device. The aim of the system is to move a load along a linear displacement.
Regarding the load, we can define mainly two specifications. Firstly, it has
to apply a rather high static force to overcome some static friction force. This
has to be done at constant speed or at standstill. Secondly, it has to be driven from one point to another in a given time. This specification implies a
dynamic force, an acceleration and a maximum speed depending on the kind
of displacement. In order to optimize the weight of the system, and mainly
the battery, DC motor and speed reducer weights, geometrical and physical
relations have to be written for each component. These relations are then
linked with the others to make a global optimization of the system. The
constraints are based upon the load specifications. The mathematical optimization is performed with the help of various numerical methods like
Genetic Algorithm, Random Search, Differential Evolution and Nelder
Mead.
Before optimization, the battery voltage is 14 V and the weight M is equal
to 1180 g. The optimization procedures uses the constraints and searches
a set of values for R, L, E, R1, R2, R3, R4 R, and Ubat which minimizes the
total mass of the system.
Results
The initial total weight was 1180g and the total weight after optimization
is equal to 830g. We can note that the weight is reduced by 30%. The voltage of the chosen battery is now 12V.
Figure 2 shows the motor and speed reducer weights of the system
in function of the constraint max.
System model
Figure 2: Motor and speed reducer weights versus
max
.
The system mass decreases until max = 95rad /mm , where it remains
constant. Consequently, there is no need for a transformation ratio greater than 95 rad/mm. At this point, the motor mass decrease compensates
the speed reducer mass increase.
Figure 1: Power conversion system.
Conclusion
Concerning the mechanical part, the lead-screw is represented by its
transformation ratio deduced from the screw pitch while the speed reduction system introduces a speed transformation ratio. The speed reducer is
constitued by two epicyclic gears (characterized by R1, R2) and one cylindrical gear with straight outer teeth (characterized by R3, R4). All load
specifications are expressed on the motor shaft. In the considered application, the motor has to generate two sorts of torques, imposed by the load.
A static torque which is necessary to reach the breakaway force on the
load just before it starts to move or to maintain the speed at a constant
value. The motor must also generate a dynamic torque which is required
when the different resistive forces are at their maximum values. All these
torques can be expressed with the three main dimensions parameters
used for the design: the rotor radius R, the rotor length L and the permanent magnet thickness E.
The established relationships are used to define the constraints during
the optimisation procedure. Two types of constraints are considered: the
physical constraints which permit to ensure that the motor can supply
load requirements and the geometrical constraints which permit to define
a feasible motor and speed reducer. Concerning the physical constraints,
the motor peak torque has to be greater than the static and dynamic
torques. The nominal torque has also to be greater than the required rms
torque.
Recherche Research
The weight of an electromechanical conversion system has been optimized.
Firstly, a model of the motor and the speed reducer has been done. This
model links the motor and speed reducer main dimensions to their performances. Then, the battery bank, motor and speed reducer weights have
been expressed as function of the optimization parameters.
Secondly, a procedure was executed in order to minimize the objective function which is the weight of the previous components. The results illustrates
how important it is to consider all criteria at a same time. The optimization
cannot be carried out considering the parameters one after each other.
References
[1] Macua E., Ripoll C., Vannier J-C, Optimization of a Brushless DC
Motor Load Association, EPE2003, Sept 02-04, 2003, Toulouse (France).
[2] Ph. Dessante, J-C Vannier, Ch. Ripoll, Optimisation of a Linear
Brushless DC Motor Drive, ICEM 2004, September 2004.
[3] Ph. Dessante, J-C Vannier, P. Vidal, Optimisation of a Linear
Brushless DC Motor Drive and the Associated Power Supply, AES 2005
Civil or Military All-Electric Ship Conference, 13 – 14 October 2005
Paris-Versailles, France.
2009 / 2011
113
7.
ÉNERGIE
ENERGY
7.4
Décharges électriques à pression atmosphérique
et environnement
Atmospheric pressure electrical discharges
and environment
Cette activité sur les plasmas froids à pression atmosphérique (PA) est
basée sur une approche de type « génie des procédés » et repose sur une
batterie de mesures électriques, thermiques et chimiques. Un thème émerge sur la production et le conditionnement d'aérosols par décharge, en
complétant ces méthodes « classiques » de diagnostics par des outils de
caractérisation de ces particules solides et/ou liquides en suspension dans
les gaz. Cette démarche pluridisciplinaire implique des chercheurs du
département Electrotechnique et Systèmes d'Énergie (ESE) de Supélec et
de l'équipe Décharges Electriques et Aérosols (DEA) du LPGP, pour caractériser et maîtriser les processus physico-chimiques afin de proposer des
procédés plasmas à pression atmosphérique induits par décharges électriques.
Les principaux champs d'applications sont l'énergétique, l'environnement
(dépollution, diagnostique et production d'aérosols calibrés, filtration), les
matériaux par procédés propres (traitement de surface, production de
poudres) et les biotechnologies.
This work on atmospheric pressure (AP) non-thermal plasmas is based on
a “Process Engineering” approach implying the production of controlled
electrical discharges by monitoring the related electrical, thermal and chemical properties. An emerging research topic is the production and conditioning of aerosols (solid and/or liquid particles suspended in gas) with
the implementation of associated diagnostic tools. Researchers from the
Supélec department of Power and Energy Systems are cooperating with the
LPGP Electrical Discharges and Aerosols group to characterize and monitor physical and chemical mechanisms to propose plasma processes induced by atmospheric pressure electrical discharges.
The main fields of application are: energy and environment (pollution
treatment, diagnostic and production of calibrated standard aerosol, filtration), materials processing by clean processes (surface treatment powder
production), and biotechnologies.
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Sujets
Topics
1. Activation des gaz par plasma
Modélisation électrique, thermique et physico-chimique.
Traitement d'effluents gazeux de type composés organiques volatils
(COV : méthane, isopropanol, acétone, toluène, naphtalène,…).
1. Plasma induced gas phase activation
Electrical, physical and chemical numerical modeling.
Gas treatment (Volatile Organic Compounds VOC: methane, isopropylalcohol, acetone, toluene, naphthalene,…).
2. Biotechnologies plasma
Décontamination de surface par procédé plasma froid à pression
atmosphérique.
Production de poudres et films fonctionnalisés biocompatibles et enrobage de particules par procédés aérosols.
2. Biotechnologies
Surface bio-decontamination by atmospheric pressure non-thermal plasma.
Production of functionalized powders/films and powder coating by
aerosol processes.
3. Procédés aérosol et plasma pour les matériaux
Interaction plasma-surface : analyse non-destructive et production de
nanopoudres.
Interaction plasma-précurseurs gazeux et liquide : production de
poudres et de films de nature (polymère, oxydes métalliques) de taille
et structure contrôlées.
Générateur d'aérosols nanométriques calibrés par nucléations en postdécharge.
3. Aerosol and Plasma Processes for Materials
Plasma-surface interaction for nano-powder production.
Plasma-gas or liquid precursor interaction for powder and film production with controlled size and structure of polymers and metal oxides.
Standard nano-sized aerosol generator by nucleation in discharges.
4. Procédés aérosol et plasma pour l'environnement
Lois de charge, chargeurs et diagnostique d'aérosols (taille, concentration).
Electro-filtration (précipitation par Décharges -Corona et à Barrière
Diélectrique- et coagulation sur gouttes produites par électro-spray Pulvérisation EHD).
4. Aerosol and Plasma Processes for Environment
Particle charging laws, aerosol chargers and diagnostic (size and
concentration).
Electro-filtration: Precipitation (in Corona and DBD) and wet scrubberby coagulation on charged water droplets produced by electro-spray.
Jean-Pascal BORRA
Emmanuel ODIC
LPGP - Équipe Décharges
Electriques et Aérosols
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 15 36 74
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 15 26
114
7.4 Décharges électriques à pression atmosphérique et environnement
Atmospheric pressure electrical discharges and environment
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Dilute methane treatment by atmospheric pressure electrical discharge
Emmanuel Odic
Traitement d'un effluent chargé en méthane par décharge
Michael J. Kirkpatrick
électrique à pression atmosphérique
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Résumé
L'oxydation par plasma froid à pression atmosphérique de faibles quantités de méthane (0,1%Vol.) diluées dans un effluent de
type combustion (azote/oxygène - 90/10) a été étudiée en regard de la teneur en vapeur d'eau du mélange. La puissance dissipée dans la décharge à barrière diélectrique générant le plasma a été maintenue constante (50 W) et la température du mélange gazeux inférieure à 150°C. L'addition de vapeur d'eau dans le mélange réactionnel conduit à l'augmentation de taux de
conversion du méthane, à une oxydation plus avancée et à la formation d'hydrogène.
Introduction
Methane, the major component of natural gas, is the third most important
global fuel after oil and coal. After water and carbon dioxide, methane is the
most abundant greenhouse gas, trapping about 21 times more heat per molecule than CO2 and so it plays a significant role in climate warming. Although
atmospheric methane emissions due to transportation are relatively small,
European regulations classify it as an unburned hydrocarbon and therefore
limits on methane emission are becoming restrictive. Electrical discharges
are being investigated more and more for chemical process applications.
These processes include the treatment of waste gases with the interest of
destroying unwanted compounds such as for example nitrogen oxides,
unburned hydrocarbons and carbon monoxide found in diesel exhaust gases.
Another research pathway concerning atmospheric pressure electrical
discharges involves the goal of plasma 'assisted' reforming of methane. For
this application, spark-like discharges such as gliding arcs are sometimes
used [1]. These studies differ from the present one in that large concentrations of methane are used even when similar discharge technology is considered [2]. The presented work specifically focuses on the influence of water
vapor on methane oxidation by means of an atmospheric pressure dielectric
barrier discharge (DBD). Previous studies on dilute methane treatment by
non-thermal plasma at atmospheric pressure alone [3] and in combination
with catalysts [4] have been done. The present work expands on these studies and will be discussed in light of them.
When water vapor is added to the gas mixture, a new source of reactive species arises through water dissociation via a direct electron mechanism or by
excited species as illustrated by reactions:
As has been previously demonstrated in the literature [3], oxygen acts as a
scavenger for excited nitrogen molecules (or nitrogen atoms) in much the
way that water has been shown to do in this work. This is the reason why
methane conversion is only around 15% in the beginning (20-30 min) of the
experiment depicted in Fig. 2.
Experimental
The experimental system was comprised of a dielectric barrier discharge
reactor, a high voltage power supply and electrical measurement equipment
(digital oscilloscope with 500MHz band pass and a maximum sampling rate
of 2 GS/s), a gas supply controlled by rotameters and/or mass flow controllers, and online gas-phase chemical analysis devices (FTIR for methane
degradation by-products, and TCD gas chromatography for H2). All experiments were carried out at atmospheric pressure. The experimental set-up is
presented in Fig.1.
Figure 2: Methane, carbon monoxide, carbon dioxide, and hydrogen concentration evolution in nitrogen with 10% oxygen and different water vapor
concentrations (P=50W) [5].
When water is added to the oxygen-containing mixture, two effects are observed: the conversion of methane increases and reaction products are shifted
toward total oxidation i.e., toward CO2 over CO. These two effects both
increase with increasing water content. Molecular hydrogen is also produced.
The hydrogen and nitrogen oxides concentration measurements (not shown
in Figure 2) can provide information on what chemical mechanisms occur for
each particular case. In the presence of oxygen, once methane reacts to form
CH3 radical, subsequent reactions with molecular oxygen, which is of course
in large excess, can lead to CO and CO2 formation via formic acid intermediate. The effect of increasing water concentration shifting reaction products
toward complete oxidation (i.e., toward CO2 over CO) is likely due to reactions of hydroxyl radicals with methane decomposition intermediates.
References
[1] Li X-S, Zhu A-M, Wang K-J, Xu Y, Song Z-M (2004) Catal Today
98:617.
Figure 1: a) overall gas flow set-up (CEM = Controlled Evaporator Mixer),
b) DBD reactor and electrical set-up.
Results
For the advanced oxidation of organic compounds by means of atmospheric
pressure non-thermal plasma in air-like mixtures, two main sources of oxidative species can be considered: molecular oxygen and water vapor. Oxygen
dissociation by direct electron impact or reaction with excited species leads
to the formation of oxygen atoms:
Recherche Research
[2] Nair SA, Nozaki T, Okazaki K (2007) Ind Eng Chem Res 46:3486.
[3] Pringle KJ, Whitehead JC, Wilman JJ, Wu J (2004) Plasma Chem
Plasma P 24:421.
[4] Da Costa P, Marques R, Da Costa S (2008) Appl Catal B: Environ
84:214.
[5] A. Mfopara, M.J. Kirkpatrick, E. Odic (2009) Plasma Chem
Plasma Process 29:91-102.
2009 / 2011
115
7.
ÉNERGIE
ENERGY
7.5
Matériaux isolants et décharges partielles
La caractérisation du vieillissement des isolants et la maîtrise du risque
que représente leur claquage, comme celle du risque électrostatique, sont
aujourd'hui des enjeux industriels importants.
L'objectif est pour nous dans ce domaine d'acquérir une meilleure compréhension des mécanismes intervenant dans un diélectrique pouvant
comporter des cavités ou des microvides, et soumis à une contrainte électrique. Cette compréhension passe par l'étude des décharges partielles et
de l'injection de charge aux interfaces gaz-isolant et métal-isolant. Un
autre aspect de cette démarche est la maîtrise des mécanismes de génération et de dissipation de l'électricité statique dans divers environnements.
Polymer ageing characterization and electrostatic risk control are some of
the challenges facing industry today.
Our goal in this field is to obtain a better understanding of the mechanisms
in a dielectric - including possible voids - submitted to an electrical
constraint. This involves the study of partial discharges, charge injection at
the gas-insulator and metal-insulator interfaces. Furthermore, we also
consider the control of static charge generation mechanisms in various
environmental situations.
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Sujets
Topics
1. Caractérisation des diélectriques
Etude de la corrosion souterraine d'un support métallique protégé par
une peinture par mesures de potentiel de surface.
Détection des défauts sur des films pour condensateurs.
1. Dielectrics characterization
Study of underground corrosion on a painted metal substrate by means
of potential measurements.
Defect detection on capacitance films.
2. Etude fondamentale des processus de polarisation et d'injection
de charge aux interfaces
La première étape conduisant au défaut d'isolement est le phénomène
d'injection de charge. Celui-ci est étudié par méthodes de mesure de
déclin et retour de potentiel de surface après dépôt de charge (décharge
électrique ou contact) sur un isolant solide. L'analyse du signal permet
la différenciation entre polarisation et injection de charge. Etudes de
l'injection de charge à partir de cavités dans des résines époxy.
2. Fundamental study of polarization processes and interface
charge injection mechanisms
The first step leading to insulation default is charge injection. This phenomenon is studied using surface potential decay and return methods.
Signal analysis allows discrimination between polarization and charge
injection.
Measurements of charge injection from micro-voids in epoxy resin.
3. Etude et détection de décharges partielles
Les propriétés électriques et physicochimiques des décharges électriques sont étudiées et utilisées pour la détection de décharges partielles (décharges couronne, de surface et dans vacuoles) intervenant
lors de défauts isolement sous moyenne et haute tension.
4. Mesures électrostatiques
On peut citer parmi les études menées : étude de la génération de charge par frottement fluide (exemple : tubulure d'essence), par roulement
(exemple : charge d'une bille métallique sur surface isolante) ou par
frottement solide (exemple : passager sur un siège de voiture).
Etude de la formation de la charge d'espace et de sa dissipation sur une
structure isolante soumise à un faisceau de particules énergétiques
(applications spatiales).
3. Partial discharge study and detection
Electrical, physical and chemical properties of electrical discharges are
used for the detection of partial discharges (corona discharges, surface
discharges and voids discharges) occurring with insulation defaults
under medium and high voltage conditions.
4. Electrostatic risk
Electrostatic measurements, charge generation being either by fluid friction. (example: oil pipe), by rotating movement (example: metal ball
charged by rolling on an insulating surface) or by solid friction
(example: car passenger rubbing on seat).
Study of the space charge buildup and decay in an insulating material
subjected to an energetic particle beam (space environment).
Philippe MOLINIÉ
Emmanuel ODIC
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 15 25
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 15 26
116
7.5 Matériaux isolants et décharges partielles
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Etude de la dynamique de l'injection de charge dans un film isolant
Charge injection dynamics in insulating films
Philippe Molinié
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Abstract Although the 1990s marked the development of more sophisticated techniques for investigating space charge in insulating materials (such as LIPP, PEA, or the mirror method), surface potential measurement obtained by means of electrostatic probes
remains a convenient tool that is used in many laboratories. In the field of materials characterization, there is a strong need
for such basic laboratory techniques. However, some theoretical and practical issues concerning the interpretation of results still
need to be resolved. Discrimination between injection of the deposited charge and polarization phenomena in the bulk is often
difficult to fathom. The measurements presented here on polypropylene films show that this is possible since each phenomenon
has its own specific signature.
Maîtriser l'injection de charge : un enjeu décisif
L'injection de charge à partir du milieu environnant (électrodes, gaz) est
clairement identifiée aujourd'hui comme le phénomène initiateur essentiel
du claquage des isolations, à la fois parce qu'elle crée une distorsion locale
du champ qui rend caducs les calculs de champ effectués sur l'hypothèse
d'une isolation homogène, et parce qu'elle est accompagnée de phénomènes
exoénergétiques, liés à la recombinaison et au piégeage dans le matériau
des porteurs de charge injectés. Ces phénomènes mettant en jeu des énergies de quelques eV peuvent dégrader localement irréversiblement le matériau.
Figure 1 : Déclin de potentiel et exemple de profil latéral (films PP)
Des techniques ont été développées ces dernières années, mettant en jeu
une onde de pression traversant le diélectrique, qui permettent en théorie
la mesure de la répartition de la charge dans le volume du solide.
Cependant, elles ne sont pas toujours applicables, et il reste une forte
demande de techniques de caractérisation des matériaux plus simples et
moins chères. La mesure du potentiel de surface au moyen de sondes électrostatiques classiques en est une [1].
Une étude sur des films de polypropylène
Sur des films isolants épais de quelques microns, tels ceux utilisés pour la
fabrication des condensateurs, les techniques d'onde de pression sont inapplicables dans l'état actuel de la technique, et des méthodes plus traditionnelles s'imposent [2].
Nous avons réalisé une étude sur des films de polypropylène d'une épaisseur de 6µ, métallisés industriellement sur une seule face. Après charge du
film à un potentiel connu par une décharge électrique, ou par contact avec
un rouleau semi-conducteur, le suivi de l'évolution naturelle du potentiel de
la surface a permis de reconstituer certains des mécanismes d'injection
ayant eu lieu pendant la charge, et se poursuivant ensuite [3].
Mise en évidence de l'injection
Lorsqu'on charge un isolant à un potentiel élevé, des phénomènes physiques
de nature différente se superposent généralement : si on exclut les phénomènes de conduction ou de décharge de surface et la neutralisation par le gaz
environnant pour ne retenir que les phénomènes internes, restent la polarisation du matériau sous l'influence du champ appliqué, et l'injection de la
charge déposée dans le film. La signature spécifique de l'injection est la dissymétrie (entre charge positive et négative) de la réponse du matériau.
Un exemple de réponse caractéristique de l'injection de charge est donné sur
la figure 1 : pour des films de polypropylène chargés par décharge corona sur
leur face libre, on observe le croisement des courbes V(t), et les profils de
charge font apparaître des « points faibles », où l'injection a été maximale.
Un traitement mathématique simple des enregistrements de l'évolution de
potentiel permet de mettre en évidence des « pics » qui sont caractéristiques
de la dynamique dans le temps de l'injection de charge dans le film : en polarité positive, seul le pic B est visible (pour des temps de l'ordre de l'heure),
qui est attribué à l'injection, activée par la température, des ions déposés
par la décharge couronne. En polarité négative, s'y ajoute un phénomène
plus rapide (réponse de l'ordre de la seconde) d'injection électronique, qui
est surtout activé par le champ électrique, et par l'énergie apportée par la
décharge (pic A).
Recherche Research
Figure 2 : Données traitées, en polarité positive et négative
References
[1] P. Molinié, “Measuring and Modeling Transient Insulator Response to
Charging: the Contribution of Surface Potential Studies”, IEEE
Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation vol.12, pp. 939-950,
2005.
[2] P. Molinié, “Charge injection in corona-charged polymeric films: potential decay and current measurements”, Journal of Electrostatics, vol. 45,
pp 265-273, 1999.
[3] P. Llovera, P. Molinié, “New methodology for surface potential decay
measurements applications to the study of charge injection dynamics on
polypropylene films”, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical
Insulation, vol.11, pp 1049-1056, 2004.
2009 / 2011
117
7.
ÉNERGIE
ENERGY
7.6
Modélisation de systèmes électromagnétiques :
matériaux, CEM, CAO et CND
Modeling of electromagnetic systems:
materials, EMC, CAD and NDT
Les études effectuées dans le domaine de la modélisation électromagnétique visent à rendre compte de phénomènes physiques complexes en
minimisant le recours à l'expérimentation et la multiplication des prototypes. Les modèles physiques simulés sur ordinateur peuvent fournir des
informations, soit sur des grandeurs que l'on ne peut mesurer lors des
expériences, soit sur les résultats que l'on pourrait obtenir si l'on réalisait
l'expérience représentée par le modèle correspondant.
La modélisation de systèmes électromagnétiques contribue ainsi à
répondre à un besoin industriel relatif à de nombreux problèmes : réduction du coût et de la consommation d'énergie, optimisation de la performance et de la robustesse, respect de contraintes électriques, mécaniques,
thermiques, acoustiques... Les domaines d'applications sont variés : CAO,
CEM, CND de structures critiques... Les travaux de recherche ont pour
objectifs :
• l'élaboration des formulations et des méthodes les mieux adaptées au
calcul numérique des champs électromagnétiques ;
• la modélisation de phénomènes régis par des systèmes d'équations couplées ;
• l'application à des problèmes concrets ;
• le développement de recherches permettant une prise en compte plus
fine de lois de comportement de matériaux en génie électrique ;
• la modélisation des actionneurs électriques.
The studies realized in the field of the modeling of electromagnetic systems
aim to take into account complex physical phenomena while minimizing
the use of experimentation and the realization of prototypes. The simulated
physical models can provide information dealing with non-measurable
quantities or with some results that can be obtained if the experiment
would be performed.
The modeling of electromagnetic systems contributes to satisfy industrial
requirements relative to different problems: reduction of cost and of energy
consumption, optimization of performance and robustness, respect of
constraints of different origins: electrical, mechanical, thermal, acoustic…
The fields of application are various: CAD, EMC, NDT of critical structures… The research works have as general goals:
• elaboration of numerical formulations and methods to be well adapted
for electromagnetic field computation;
• modeling of phenomena governed by coupled equations;
• study of practical examples;
• development of researches dealing with the modeling of constitutive law
of materials used in electrical engineering;
• modeling of electrical actuators.
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Sujets
Topics
1. Modélisation de matériaux
Lois de comportement de matériaux : « micro-ondes », supraconducteurs, matériaux actifs.
Homogénéisation de matériaux hétérogènes.
1. Material Modeling
Constitutive laws of materials: "microwaves", superconductors, smart
materials.
Homogenization of heterogeneous materials.
2. Compatibilité électro-magnétique
Modélisation 3D des couplages électromagnétiques. Simulation hybride
champ-circuit pour les études de susceptibilité électromagnétique.
Caractérisation du rayonnement des circuits imprimés de puissance.
2. Electromagnetic compatibility
3D Modeling of coupling between electromagnetic fields and structures.
Coupled field-circuit simulation for electromagnetic susceptibility.
Radiation from power PCB.
3. Conception assistée par ordinateur de systèmes
Développement d'outils logiciels d'aide à la conception de machines par
une approche multi physique. Deux plateformes :
• Machine à Réluctance Variable ;
• Machine Synchrone à Aimants Permanents.
3. Computer aided design of systems
Development of CAD tools for electric machine design by a multiphysic
approach. Two platforms:
• Switched Reluctance Machine;
• Permanent Magnet Synchronous Machine.
4. Diagnostic et contrôle non destructif
Modélisation, conception et caractérisation de capteurs. Contrôle non
destructif de matériaux : reconstruction de paramètres physiques et
géométriques ou de défauts.
Applications au domaine de l'aéronautique.
4. Diagnosis and non destructive testing
Modeling, design and characterization of sensors. Non destructive testing of materials: reconstruction of physical and geometrical parameters
or flaws.
Applications in the aircraft industry.
Claude MARCHAND
LGEP - Équipe COCODI
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 16 58
118
Lionel PICHON
Adel RAZEK
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 16 58
LGEP - Département MOCOSEM
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 16 55
7.6 Modélisation de systèmes électromagnétiques
Modeling of electromagnetic systems
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Modélisation de l'effet magnétoélectrique
Modelling of the magnetoelectric effect
Laurent Daniel, Xavier Mininger,
Frédéric Bouillault et Romain Corcolle
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Résumé
Les couplages multiphysiques sont aujourd'hui à l'origine de nombreuses applications. Des outils de modélisation pertinents
sont nécessaires afin de concevoir des dispositifs optimisant le couplage des différentes grandeurs physiques. Cet article présente succinctement deux approches de modélisation complémentaires appliquées à l'effet magnétoélectrique. Une par homogénéisation, basée sur des informations statistiques des matériaux, permet d'estimer le comportement macroscopique (calcul analytique : temps de calcul minime). La seconde approche basée sur la méthode des éléments finis présente l'avantage de fournir
une description complète des différents champs.
Introduction
Coupled behavior is a long-standing domain of interest in physics. The possibility of applications such as sensors or actuators, relying on these multiphysics coupling effects have made these materials receive more and more
attention in the past years. In order to design properly these different applications, advanced modelling tools are needed. Phenomenological macroscopic approaches can give a first description. These approaches proved to be
very efficient in the case of homogeneous materials. But a promising issue
is the development of sensors and actuators made of composite materials.
The properties of each constituent can then be combined to obtain optimal
macroscopic properties. In those cases, all the more if the composition of the
composite material has to be optimized, a phenomenological macroscopic
approach is not suitable anymore. This is particularly true when the observed macroscopic coupling effect is not observed in any of the constituent of
the composite. It is the case of composites made of piezomagnetic and piezoelectric phases: these composites exhibit a macroscopic magnetoelectric
(ME) effect, whereas none of the phases exhibit such an effect (Fig. 1).
Figure 3: Effective magnetoelectric moduli depending on the
volumetric fraction f of the piezoelectric phase.
Finite element approach
The thermodynamical model is based on the association of a magnetoelastic nonlinear model and a piezoelectricity linear one. From the minimization of functional energy, finite element (FE) formulations of the
magneto-elastic and electro-elastic problems are established. The FE discretization leads to an algebraic equation system with magnetic, mechanical and electric equations, linked by coupling terms. The resolution of this
non-linear system is obtained with an iterative fixed-point method. Figure
4 presents the magnetic induction obtained from this resolution, considering a representative material sample, with Terfenol-D (magnetostrictive
material) inclusions in a piezoelectric matrix.
Figure 1 : Magnetoelectric coupling
In order to study this magnetoelectric effect, two approaches are here presented: analytical homogenization and finite element modelling.
Homogenization
We consider a heterogeneous material constituted of n phases. The constitutive law for each phase i is known. The objective is to deduce the constitutive law of the equivalent homogeneous medium (EHM). This EHM exhibits, for a given loading, the same macroscopic response than the real heterogeneous medium (RHM). This process relies on the definition of localization operators, defining the local fields in phase I from the knowledge of the
macroscopic loading. In order to build these localization operators, a homogenization model based on inclusion problems is used [1]. This method
divides the problem of a n-phasic material into n-independent basic inclusion problems (Fig. 2). Indeed the mean response of the phase i is supposed
to be the same as the response of an inclusion of phase i embedded in an
infinite-loaded medium.
Figure 4: Magnetic induction for inclusion problem
Coefficients of the coupling magnetoelectric matrix are then obtained with
an averaging of the different physical quantities.
References
[1] R. Corcolle, L. Daniel, and F. Bouillault, “Generic formalism for homogenization of coupled behavior: Application to magnetoelectroelastic
behavior”, PHYSICAL REVIEW B, 78, 214110, 2008.
Figure 2: Homogenization based on inclusion problems
Fig. 3 gives the resulting magnetoelectric moduli considering a composite
made of a piezomagnetic matrix (CoFe2O4) reinforced with cylindrical piezoelectric fibers (BaTiO3).
Recherche Research
[2] N. Galopin, X. Mininger, F. Bouillault et L. Daniel, “Finite element
modelling of magneto-electric sensors,” IEEE Transactions on Mag., vol.
44, n°6, 2008.
2009 / 2011
119
7.
ÉNERGIE
ENERGY
7.7
Contacts électriques
Electrical contacts
Le domaine des contacts électriques se situe à la frontière de plusieurs
disciplines : il met en jeu des phénomènes électriques, mécaniques, thermiques - éventuellement couplés, auxquels s'ajoutent la topographie et la
physico-chimie des surfaces.
Sur cette base, l'objectif général des travaux de notre équipe est de faire
progresser les connaissances scientifiques attachées à ces différents
aspects, tout en répondant à l'évolution des problématiques industrielles.
Pour y parvenir, nos activités se partagent entre d'une part, la conception,
la réalisation et l'exploitation de nombreux bancs de mesures et moyens
de caractérisation, et d'autre part le développement de modèles phénoménologiques, analytiques et numériques. Nous nous appuyons pour cela à la
fois sur une forte activité contractuelle et sur de nombreux partenariats
académiques.
The field of electrical contacts addresses several scopes of physics, since
electrical, mechanical and thermal phenomena -sometimes coupled - are
involved, to which must be added topography and physico-chemical properties of surfaces.
In this context, our research activities aim to improve the scientific knowledge regarding each physical angle, as well as to bring concrete answers to
industrial problems.
To reach this purpose both experimental and theoretical approaches are
considered, with on one hand the design and running of several homemade test benches and characterization equipments, and on the other hand
phenomenological, analytical and numerical modelling. These activities
are strongly linked to academic collaborations and largely funded by
industrial partnerships.
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Sujets
Topics
1. Contacts bas niveau : fiabilité et revêtements innovants
Nous nous intéressons aux propriétés électriques, mécaniques (frottement, adhésion) et de surface des contacts bas-niveau, afin de comprendre leurs mécanismes de dégradation et d'améliorer leur fiabilité
par la mise au point de revêtements innovants. On recherche ainsi les
conditions d'élaboration des meilleures couches de protection des surfaces métalliques vis-à-vis de l'usure et de la corrosion. On étudie également différents types de films composites ultraminces plus ou moins
fortement ancrés sur les substrats.
1. Low-level contacts: reliability and innovative coatings
Electrical, mechanical (friction, adhesion) and surface properties of lowlevel contacts are studied in order to understand their degradation
mechanisms and improve their reliability by the elaboration of innovative coatings. In this way, layers insuring a better protection of metal surfaces (Au, Ni, Ag, Sn, Cu) against wear and corrosion are investigated.
We are also studying various types of ultrathin composite coatings more
or less strongly bounded to the substrate.
2. Microscopies en champ proche et nanocontacts
Nous développons des techniques originales de mesures électriques
locales dérivées de la microscopie AFM. Le "Résiscope" permet de réaliser, à la surface de nombreux matériaux, des cartographies simultanées
de la topographie et de la résistance électrique. Son extension, le
"Capascope", ajoute l'accès à la capacité pointe/surface locale. Outre les
possibilités de caractérisation à l'échelle microscopique des revêtements de contacts, ces outils permettent d'aborder la physique du nanocontact.
3. Contacts de puissance
Un premier axe des travaux porte sur l'étude des phénomènes électriques, mécaniques et thermiques liés au passage du courant et leur
modélisation rendue complexe par les couplages ; les applications
concernent dans ce cas les contacts fermés (échauffement, soudure statique, soudage par résistance…). D'autre part nous nous intéressons
aux phénomènes liés aux interactions arc-électrodes : érosion, mesure
de température d'électrode, transition glow-arc.
2. Scanning probe microscopies and nanocontacts
Our main activity concerns the development of additional capabilities
for atomic force microscopy, in order to get local electrical measurements.
The “Resiscope” add-on device allows simultaneous maps of topography
and electrical resistance on all kinds of material. Its extended version
“Capascope” gives a third information regarding local capacitance.
Beyond the characterization of contact coatings at a microscopic scale,
these devices open the way to the nanocontact physics.
3. Power contacts
A main axis of our work is devoted to the study of the electrical, mechanical
and thermal phenomena occurring in a contact submitted to a high current
and their modelling - complicated by coupling effects. Applications are heating and/or welding in closed power contacts and “resistance welding”. An
other axis of investigation concerns arc-electrode interactions phenomena
such as metal erosion, measurement electrode temperature measurement,
glow-arc transition.
Frédéric HOUZÉ
Sophie NOËL
Philippe TESTÉ
LGEP - Équipe CE
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 16 74
LGEP - Équipe CE
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 16 43
LGEP - Équipe CE
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 16 52
120
7.7 Contacts électriques
Electrical contacts
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Mechanical and Electrical study of Fluorinated Diazonium Films
from a Nanocontact viewpoint
Etude mécanique et électrique d'un nanocontact mettant en œuvre
des films de diazonium fluorés
David Alamarguy
Sophie Noël
Frédéric Houzé
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Résumé
L'utilisation des contacts électriques bas-niveau dans des conditions environnementales de plus en plus extrêmes (ultravide,
haute température…) et la miniaturisation des systèmes électromécaniques (MEMS) impliquent l'étude de nouveaux matériaux
permettant une meilleure fiabilité de ces contacts. Les revêtements présentés ici sont des films organiques nanométriques greffés par voie électrochimique sur des revêtements d'or afin de limiter la migration des molécules. Les propriétés électriques et
mécaniques de ces films ont été étudiées simultanément à l'aide d'un microscope à force atomique disposant d'une pointe
conductrice.
Introduction
Thin organic films are required in many applications where friction and wear
are cause of degradation of the electrical properties. When these films are
liquid, depletion phenomena occur: liquid lubricants are thus not suitable in
extreme conditions such as ultra high vacuum, high temperature, or for micro
electromechanical systems. For several years, we have been studying Self
Assembled Monolayers as coatings for low level electrical contacts [1]. The aim
of the study presented here is to investigate molecular species yielding a more
stable covalent bond with gold. Aryl diazonium salt thin films could be one of
these species and thus their mechanical and electrical properties are investigated here. The organic film grafting was obtained by electrochemical reduction of the diazonium salts presented in Figure 1.
The Atomic Force Microscope (AFM) allows to investigate atomic scale phenomena. In the present paper, AFM was combined with a homemade widerange current measurement system to investigate simultaneously the
mechanical and electrical microscopic interactions between the conductive
tips (doped diamond coated) and the diazonium salts thin films electrografted on gold surfaces, as a function of the applied force during tip/sample
approach and withdrawal.
This study has been performed in collaboration with the Chemistry of
Surfaces and Interfaces Laboratory (CEA Saclay DSM-DRECAM-SPCSI)
and the “Chimie, Ingénierie Moléculaire d'Angers” Laboratory (University
of Angers), in the framework of the ANR program “NanoConnect”.
The H2F6 fluorinated diazonium salt modified gold electrode presented a
very different behaviour. In Figure 3, during the approach phase, just after
the jump-to contact (position A), a slow increase of the attractive force takes
place (to point B), showing that the film is bonded to gold surfaces but the
top is not compact enough and not very well organised to push the tip back.
Then the repulsive forces dominate and the electrical current is detected after
a further displacement (to point C), showing that the film is more compact at
this depth. Then the resistance value drops down quickly and steadily to the
value corresponding to the tip/gold electrical contact (point D). The load necessary to go through the film (point A to point D) is about 140nN.
Figure 2: D-R curves acquired with a conducting tip on H8 diazonium salt
modified gold electrode (inset: deflection around the jump-to-contact). These
curves display the deflection D at the top and the resistance R at the bottom during the approach of the sample in grey, and during the withdrawal
in black.
Figure 1: Chemical structure and abbreviation used throughout
the article for the diazonium salts used as starting molecules for the grafting of the organic films.
Results
The AFM lever deflection D and the "apparent contact resistance" R, defined as the bias voltage U (1 Volt) divided by the tip/sample current measured i, are simultaneously acquired at a fixed location of the sample surface
during approach/withdrawal cycles, as a function of the sample displacement d.
Typical examples of D-R curves representative of many measurements
acquired at several locations of the surface are presented in Figure 2 and 3.
More details about the description of such curves have been reported in previous works [2, 3].
Figure 2 refers to an experiment performed on H8 diazonium salt modified
gold electrode. During the approach phase, after the mechanical contact between the tip and the film surface called jump-to-contact labelled on the figure as A, the repulsive forces immediately dominate and the sample must be
displaced to the point B to measure an electrical current. The sample must
be displaced further to see the resistance value dropping down rapidly to a
low and stable level
at point C corresponding to the true tip/gold
surface electrical contact. The load necessary to go through the diazonium
film (from A to C) is about 200nN. This value shows that the film is very
compact, confirmed by the observation of the repulsive forces just after the
jump-to-contact.
Recherche Research
Figure 3: D-R curves acquired with a conducting tip on H2F6
fluorinated diazonium salt modified gold electrode.
References
[1] S. Noël, N. Lécaudé, D. Alamarguy, "Grafting of bifunctional fluorinated polyether molecules on metallic surfaces: application to the protection
of electrical contacts", Surf. Interface Anal. (2006) 38, 4, 326.
[2] D. Alamarguy, O. Schneegans, S. Noël, L. Boyer, "Correlation between
the electrical and mechanical behaviours of a nanocontact with an alkanethiol monolayer", Appl. Surf. Sci. (2004) 225, 1-4, 309.
[3] D. Alamarguy, A. Benedetto, M. Balog, P. Viel, F. Le Derf, F. Houzé,
M. Sallé, S. Noël, S. Palacin, "Tribological and electrical study of
Fluorinated Diazonium Films as dry lubricants for electrical contacts",
Surf. Interface Anal. (2008) 40, 3-4, 802-805.
2009 / 2011
121
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Mots clés
Keywords
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10 Gigabit Ethernet
40 Gb/s
Actionneurs électriques
Actionneurs
Aéronautique
Aérosols
Aérospatial
Algorithmes de transformation d’ondes
Algorithmique
Analyse de surface
Antennes actives
Antennes lacunaires
Antennes spirales
Antennes ultra-large bande
Applications des plasmas
Apprentissage non supervisé
Apprentissage par renforcement
Architecture distribuée
Architecture reconfigurable
Arcs électriques
Automobile
Auto-test
Biomedical
Biotechnologie
Bolomètres
Calculs distribués
Capteurs biologiques et médicaux
Capteurs de champ
Capteurs de gaz
Capteurs intelligents
Capteurs optiques
Caractérisation micro-ondes
Cavité continuum
Cellules photovoltaïques
Chambres réverbérantes
Champs électromagnétiques
Chaos
Circuits analogiques
Circuits intégrés
Clusters de CPU / GPU
Codage canal
Codage conjoint source-canal
Commande distribuée
Commande prédictive non-linéaire
Commande prédictive
Communications sécurisées
Compatibilité radio-électrique
des systèmes aéronautiques
Composants en couches minces
Composants optiques
Composants optoélectroniques
Compression
Conception de circuits intégrés
Conception
Contacts
Contrôle de la sécurité
Contrôle de polarisation
Contrôle non destructif
Contrôles des systèmes passifs
Conversion analogique-numérique
Convertisseurs
Cryptographie
DAS des antennes relais
Dasmètre individuel
Débit d’Absorption Spécifique
Décharge luminescente
Décharges dans les gaz
Décharges partielles
Décodage itératif source-canal
Défauts dans les semiconducteurs
Défauts
Détecteurs en ondes submillimétriques
122
10 Gigabit Ethernet
40 Gb/s
Electrical drives
Actuators
Aeronautics
Aerosols
Aerospace
Wave transformation algorithms
Algorithms
Surface analysis
Active antennas
Lacunar Antennas
Spiral antennas
Ultra-wide band antennas
Plasma applications
Unsupervised learning
Machine Learning
Distributed architecture
Reconfigurable architecture
Arc discharges
Automotive
Self-testing
Biomedical
Biotechnology
Bolometers
Distributed computing
Medical, biological sensors
Field sensors
Gas sensors
Smart sensors
Optical sensors
Microwave measurements
Continuum cavity
Photovoltaic cells
Reverberating chambers
Electromagnetic fields
Chaos
Analog circuits
Integrated circuit
CPU / GPU clusters
Channel coding
Joint source-channel coding
Distributed control
Nonlinear predictive control
Predictive control
Digital communication
PHY layer security
Radio-frequency compatibility
of aeronautic systems
Thin film devices
Optical devices
Optoelectronic devices
Compression
Integrated circuit design
Design
Contacts
Site security monitoring
Polarisation control
Nondestructive testing
Passivity-based control
Analog-digital conversion
Converters
Cryptography
SAR of base station antennas
Individual SARmeter
Specific Absorption Rate
Glow discharges
Gas discharges
Partial discharges
Iterative source-channel decoding
Semiconductor defects
Faults
Submillimeter wave detectors
6.5
6.5
7.3
7.3
1.5
7.4
1.5
5.1
3.7
7.7
5.2
2.5
5.7
5.2
7.4
2.3
3.5
3.6
6.2
7.7
1.5
6.1
1.2
1.5
6.4
3.6
6.8
5.1
6.7
3.5
6.8
5.6
6.7
6.3
5.3
7.3
6.6
6.1
6.2
3.6
4.1
4.5
1.2
1.4
1.2
1.4
6.2
4.1
5.3
5.3
6.3
6.7
6.5
2.5
6.1
7.3
7.7
3.2 ; 3.3
6.7
5.5
1.1
4.6
7.2
6.6
5.4
5.4
5.4
7.7
7.4
7.5
4.5
6.3
7.1
6.4
Détection d’intrusions
Détection d’objets enfouis
Détection et reconnaissance de visage
Détection foudre
Détection multiutilisateurs
Diffusion électromagnétique
Diffusion multistatique
Distorsions non linéaires
Distribution électrique
Dynamique non linéaire
Echantillonnage adaptatif
Echantillonnage aléatoire
Echantillonnage avec pertes
Electricité
Electronique de puissance
Emission électronique
Energie
Environnement intelligents
Equations différentielles stochastiques
Erosion
Estimateur
Estimation de matrice de covariance
Estimation
Evaluation de performance
Evaluation géophysique
Extraction de la connaissance
Fiabilité
Film diélectrique fin
Films minces
Filtres à résonateur piézoélectrique
Filtres actifs
Filtres passe-bande
Foudre
Fouille de données
Fouillis non gaussien
Génie biomédical
Géométrie de l’information
Harmoniques
Hétérojonctions à semiconducteurs
Homogénéisation
Identification biométrique
Identification radio-fréquence
Identification
Imagerie électromagnétique et acoustique
Imagerie micro-onde pour
applications biomédicales
Imagerie temps réel
Imagerie
Incertitude
Inférence bayesienne
Ingénierie de la connaissance
Ingénierie dirigée par les modèles
Injection de charge
Interaction homme machine
Interface homme machine
Inversion
Lasers à émission par la surface
Lasers à semiconducteurs
LED à cavité résonante
Localisation de défauts
Localisation de source sonore
LTE
Lubrification
Machines à courant alternatif
ou à courant continu
Intrusion detection
Buried object detection
Face detection and recognition
Lightning detection
Multiuser detection
Electromagnetic scattering
Multistatic scattering
Nonlinear distortion
Electrical distribution
Non linear Dynamics
Adaptive Sampling
Irregular Sampling
Missing Observations
Electricity
Power electronics
Electron emission
Energy
Smart environments
Stochastic Differential Equations
Erosion
Estimators
Covariance matrix estimation
Estimation
Geophysical inverse problems
Knowledge discovery
Reliability
Dielectric Thin film
Thin films
Piezoelectric resonator filters
Active filters
Bandpass filters
Lightning
Dataminig
Non Gaussian clutter
Biomedical Engineering
Information geometry
Harmonics
Semiconductor heterojunctions
Homogenization
Biometric identification
Radio-frequency identification
Identification
Electromagnetic and acoustical imaging
Microwave imaging for
biomedical applications
Real time imaging
Imaging
Uncertain systems
Bayesian inference
Knowledge engineering
Model driven engineering
Charge injection
Human Computer Interaction
Human machine Interface
Inverse Problems
Surface emitting lasers
Semiconductor lasers
Resonant cavity LED
Fault localization
Audio source localisation
LTE
Lubrication
3.2 ; 3.3
5.5
2.3
7.1
4.1
5.6
5.6
4.1
7.1
5.4
6.6
2.5
2.5
2.5
7.1
7.2
7.7
1.5 ; 7.1
3.5
2.2
7.7
7.3
2.4
1.6
3.7
5.5
3.4
7.7
6.8
6.4
4.6
7.2
4.6
7.1
3.4
2.4
7.4
4.7
7.1
6.3
5.6
2.3
5.2
1.6
5.5
AC and DC Machines
7.3
Marché de l’électricité
Matériau Niobate de Lithium
Matériaux actifs
Matériaux anisotropes
Matériaux chiraux
Matériaux diélectriques
Matériaux nitrures
Matériaux photoréfractifs
Matrices aléatoires
Electricity market
Lithium Niobate material
Smart materials
Anisotropic materials
Chiral materials
Dielectric materials
Nitride materials
Photorefractive materials
Random matrices
7.1
6.8
7.6
5.6
5.6
5.6
6.7
6.6
4.7
5.2
5.2
6.4
1.3
4.7
3.4
3.1
7.5
2.3
3.5
2.2
6.7
6.5 ; 6.6
6.7
7.1
2.3
4.2
7.7
P122 à 128:p122 à 125 26/10/09 14:10 Page3
.....................................................................................................................................................................................................................................
Mots clés
Keywords
.....................................................................................................................................................................................................................................
Mécatronique
Mélangeurs de fréquences
MEMS
Mesure de champ sur site
Mesure de champs à très basse fréquence
Mesures dans le domaine temporel
Mesures sur les matériaux semiconducteurs
Métamatériaux
Méthode de diffusion modulée
Méthodes à haute résolution
Méthodes à noyaux reproduisants
Méthodes de mesure sans phase
Microscopie
Milieux composites
MIMO
Modèles bio inspirés
Modèles de calcul
Modèles graphiques
Modélisation à base de composants
Modélisation de composants
à semiconducteurs
Modélisation de systèmes
Modélisation électromagnétique
Modélisation hétérogène
Modélisation multi-paradigme
Modélisation
Modification de surface
Modulation Sigma-Delta
Multiplexage en longueur d’onde
Nanotechnologies
Observateurs
Optimisation intercouches
Optimisation LMI
Optimisation sous contraintes
Optique non linéaire
Ordre optimal d’un modèle
Oscillateurs non-linéaires
Parallélisation de calculs
Paramétrisation de Youla
Performance de réseaux
de télécommunication
Perturbations électromagnétiques
induites et rayonnées
Mechatronics
Mixers
Microelectromechanical devices
On-site field measurements
ELF field measurements
Time domain measurements
Semiconductor materials measurements
Metamaterials
Modulated scattering technique
High resolution method
Kernel-based Regularized Regression
Phaseless measurements
Microscopy
Composite media
MIMO
Bio inspired models
Model of computation
Graphical models
Component-based modeling
1.5
6.4
6.1
5.4
5.3
5.1
6.3
5.6
5.2
2.5
2.2
5.1
7.7
5.6
2.4 ; 4.2
3.5
3.1
4.7
3.1
Semiconductor device modelling
System modelling
Electromagnetic modeling
Heterogeneous modeling
Multi-paradigm modeling
Modeling
Surface modification
Sigma-delta modulation
Wavelength Division Multiplexing
Nanotechnology
Observers
Cross-layer optimization
LMI optimization
Constrained optimization
Nonlinear optics
Reduced Order Systems
Nonlinear oscillators
Parallel programming
Youla parametrization
6.3
3.7
7.3 ; 7.6
3.1
3.1
1.6
7.7
4.6
6.5
7.7
1.6 ; 6.4 ; 7.3
4.2
1.3
1.4
6.6
2.2
6.1
3.6
1.3
Computer network performance
Induced and radiated
electromagnetic perturbations
3.7
Phénomènes couplés
Phénomènes d’interface
Photoconductivité
Planification d’expériences
Polarimétrie radar
Polarisation diélectrique
Polarisation
Pollution électromagnétique conduite
Polymères
Probabilités libres
Problèmes inverses
Problèmes NP-complets
Procédés industriels
Processeurs multi-cœurs
Processus diffusifs par morceaux
Processus et chaines de Markov
Processus ponctuels
Propagation d’incertitudes
Protection foudre
Qualité de l’énergie
Qualité de service
Radar à synthèse d’ouverture
Radio cognitive
Radio logicielle
Récepteurs
Réception robuste d’entêtes
Reconfiguration dynamique
Reconnaissance de la parole
Réduction PAPR
Réflecteurs de Bragg
Relais
Représentation des connaissances
Coupled phenomena
Interface phenomena
Photoconductivity
Optimum Design
Radar polarimetry
Dielectric polarization
Polarization
Electromagnetic interference
Polymer
Free probability
Inverse problems
NP-complete problems
Industrial processes
Multi-coeur processors
Piecewise-Diffusion Processes
Markov processes and chains
Random point processes
Error analysis
Lightning protection
Power quality
Quality of Service
SAR
Cognitive radio
Software Defined Radio
Receivers
Robust header reception
Dynamic reconfiguration
Speech recognition
PAPR reduction
Bragg mirror
Relaying
Knowledge representation
7.6 ; 7.7
6.3
6.3
2.2
5.6
7.5
5.7
7.3
6.8
4.7
5.5
3.7
1.5
3.6
2.2
3.7
2.1
2.2
7.1
7.1
3.7
2.4
4.3 ; 4.4
4.4 ; 4.6 ; 6.2
4.1
4.5
4.4
2.3
4.1
6,7
7.1
3.4
5.3
Recherche Research
Réseau de neurones
Réseaux ad-hoc
Réseaux coopératifs
Réseaux d’antennes
Réseaux d’énergie
Réseaux de capteurs
Réseaux de sondes
Réseaux hétérogènes
Réseaux phasés
Réseaux sans fils maillés
Résistance de contact
Retouche de lois de commande
Revêtements innovants
Robotique cognitive
Robustesse
Robustification
Science des matériaux
Sécurité des réseaux informatique
Sécurité informatique
Sécurité
Segmentation de signal
Séparation de sources
Séries chronologiques
Simulation
Solitons de cavité
Solitons optiques
Solutions explicites
Soudage
Sources optiques ultra violet
Spectroscopie Raman
STAP
Sûreté
Systèmes 4G
Systèmes à base de connaissances
Systèmes à commutation
Systèmes à retards
Systèmes adaptatifs
Systèmes de motorisation
Systèmes de puissance
Systèmes dynamiques hybrides
Systèmes échantillonnés
Systèmes hétérogènes
Systèmes interconnectés
Systèmes LPV
Systèmes multi-capteurs
Systèmes multistandards
Tatouage
Taux d’Erreurs Binaires
Télédétection
Téléphones portables
Temps de calcul
Terahertz et quasi-optique
Test intégré
Tests électrostatiques
Théorie des jeux
Tolérance aux fautes
Traitement de signaux financiers
Traitement du signal
Transformateurs
Transmissions optiques
Tribologie
VCSEL
Viabilité
Vidéosurveillance
Vulnérabilité des systèmes complexes
Web sémantique
WiMAX
2009 / 2011
Neural networks
Ad-hoc networks
Cooperative networks
Antenna arrays
Power systems
Sensor networks
Probe arrays
Heterogeneous networks
Phased arrays
Mesh networks
Contact resistance
Controller retuning
New Coatings
Cognitive Robotics
Robustness
Robustification
Materials science
Computer network security
Computer security
Security
Signal segmentation
Source separation
Time series
Simulation
Soliton cavity
Optical Solitons
Explicit solutions
Welding
Ultra violet optical source
Raman spectroscopy
STAP
Safety
4G systems
Knowledge based systems
Switching system
Systems with delays
Adaptive Systems
Motor drives
Power systems
Hybrid dynamical systems
Sampled-data systems
Heterogeneous systems
Interconnected systems
LPV systems
Multi-sensors systems
Multi-standard systems
Nonlinear systems
Watermarking
Bit Error Rate
Remote sensing
Mobile phones
Computation time
Terahertz optics
Built-in testing
Electrostatic measurements
Game theory
Fault tolerance
Financial data processing
Signal processing
Transformers
Optical transmission
Tribology
VCSEL
Viability theory
Vidéo surveillance
Vulnerability of complex systems
Semantic Web
WiMAX
5.6
4.3
4.3
6.4
7.1
4.3
5.1
4.2 ; 4.3
5.7
4.3
7.7
1.3
7.7
3.5
1.3
1.3
6.4
3.2 ; 3.3
3.2 ; 3.3
4.5
2.3
2.1
2.1
3.7
6.6
6.6
1.4
7.7
6.7
6.8
2.4
1.2
4.2
3.4
1.2
1.1
3.4
7.3
7.3
1.2
1.1
3.1
1.1
1.3
2.1
4.2
1.1 ; 1.6
4.5
6.5
5.5 ; 5.6
5.4
3.6
6.4
6.1
7.5
4.7
3.6
2.1 ; 2.5 ; 3.6
2.3 ; 6.2
7.2
6.5
7.7
6.5
1.4
2.3
5.3
3.4
4.2
123
P122 à 128:p122 à 125 26/10/09 14:10 Page4
.....................................................................................................................................................................................................................................
Keywords
Mots clés
.....................................................................................................................................................................................................................................
10 Gigabit Ethernet
40 Gb/s
4G systems
AC and DC Machines
Active antennas
Active filters
Actuators
Adaptive Sampling
Adaptive Systems
Ad-hoc networks
Aeronautics
Aerosols
Aerospace
Algorithms
Analog circuits
Analog-digital conversion
Anisotropic materials
Antenna arrays
Arc discharges
Audio source localisation
Automotive
Bandpass filters
Bayesian inference
Bio inspired models
Biomedical Engineering
Biomedical
Biometric identification
Biotechnology
Bit Error Rate
Bolometers
Bragg mirrors reflectors
Built-in testing
Buried object detection
Channel coding
Chaos
Charge injection
Chiral materials
Cognitive radio
Cognitive Robotics
Component-based modeling
Composite media
Compression
Computation time
Computer network performance
Computer network security
Computer security
Constrained optimization
Contact resistance
Contacts
Continuum cavity
Controller retuning
Converters
Cooperative networks
Coupled phenomena
Covariance matrix estimation
CPU / GPU clusters
Cross-layer optimization
Cryptography
Dataminig
Design
Dielectric materials
Dielectric polarization
Dielectric Thin film
Digital communication
Distributed architecture
Distributed computing
Distributed control
Dynamic reconfiguration
Electrical distribution
Electrical drives
Electricity market
Electricity
124
10 Gigabit Ethernet
40 Gb/s
Systèmes 4G
Machines à courant alternatif
ou à courant continu
Antennes actives
Filtres actifs
Actionneurs
Echantillonnage adaptatif
Systèmes adaptatifs
Réseaux ad-hoc
Aéronautique
Aérosols
Aérospatial
Algorithmique
Circuits analogiques
Conversion analogique-numérique
Matériaux anisotropes
Réseaux d’antennes
Arcs électriques
Localisation de source sonore
Automobile
Filtres passe-bande
Inférence bayesienne
Modèles bio inspirés
Génie biomédical
Biomedical
Identification biométrique
Biotechnologie
Taux d’Erreurs Binaires
Bolomètres
Réflecteurs de Bragg
Test intégré
Détection d’objets enfouis
Codage canal
Chaos
Injection de charge
Matériaux chiraux
Radio cognitive
Robotique cognitive
Modélisation à base de composants
Milieux composites
Compression
Temps de calcul
Performance de réseaux
de télécommunication
Sécurité des réseaux informatique
Sécurité informatique
Optimisation sous contraintes
Résistance de contact
Contacts
Cavité continuum
Retouche de lois de commande
Convertisseurs
Réseaux coopératifs
Phénomènes couplés
Estimation de matrice de covariance
Clusters de CPU / GPU
Optimisation intercouches
Cryptographie
Fouille de données
Conception
Matériaux diélectriques
Polarisation diélectrique
Film diélectrique fin
Architecture distribuée
Calculs distribués
Commande distribuée
Reconfiguration dynamique
Distribution électrique
Actionneurs électriques
Marché de l’électricité
Electricité
6.5
6.5
4.2
7.3
5.2
7.2
7.3
2.5
3.4
4.3
1.5
7.4
1.5
3.7
6.1
4.6
5.6
6.4
7.7
2.3
1.5
4.6
4.7
3.5
7.4
1.2
2.3
1.5
6.5
6.4
6.7
6.1
5.5
4.1
6.6
7.5
5.6
4.3 ; 4.4
3.5
3.1
5.6
2.5
3.6
3.7
3.2 ; 3.3
3.2 ; 3.3
1.4
1.4
7.7
7.7
6.7
1.3
7.2
4.3
7.6 ; 7.7
2.4
3.6
4.2
6.6
3.4
7.3
5.6
7.5
6.8
6.2
3.6
3.6
1.2
4.4
7.1
7.3
7.1
7.1
Electromagnetic and
acoustical imaging
Electromagnetic fields
Electromagnetic interference
Electromagnetic modeling
Electromagnetic scattering
Electron emission
Electrostatic measurements
ELF field measurements
Energy
Erosion
Error analysis
Estimation
Estimators
Explicit solutions
Face detection and recognition
Fault localization
Fault tolerance
Faults
Field sensors
Financial data processing
Free probability
Game theory
Gas discharges
Gas sensors
Geophysical inverse problems
Glow discharges
Graphical models
Harmonics
Heterogeneous modeling
Heterogeneous networks
Heterogeneous systems
High resolution method
Homogenization
Human Computer Interaction
Human machine Interface
Hybrid dynamical systems
Identification
Imaging
Individual SARmeter
Induced and radiated
electromagnetic perturbations
Industrial processes
Information geometry
Integrated circuit design
Integrated circuit
Interconnected systems
Interface phenomena
Intrusion detection
Inverse Problems
Inverse problems
Irregular Sampling
Iterative source-channel decoding
Joint source-channel coding
Kernel-based Regularized Regression
Knowledge based systems
Knowledge discovery
Knowledge engineering
Knowledge representation
Lacunar Antennas
Lightning detection
Lightning protection
Lightning
Lithium Niobate material
LMI optimization
LPV systems
LTE
Lubrication
Machine Learning
Markov processes and chains
Materials science
Mechatronics
Imagerie électromagnétique
et acoustique
Champs électromagnétiques
Pollution électromagnétique conduite
Modélisation électromagnétique
Diffusion électromagnétique
Emission électronique
Tests électrostatiques
Mesure de champs
à très basse fréquence
Energie
Erosion
Propagation d’incertitudes
Estimation
Estimateur
Solutions explicites
Détection et reconnaissance de visage
Localisation de défauts
Tolérance aux fautes
Défauts
Capteurs de champ
Traitement de signaux financiers
Probabilités libres
Théorie des jeux
Décharges dans les gaz
Capteurs de gaz
Evaluation géophysique
Décharge luminescente
Modèles graphiques
Harmoniques
Modélisation hétérogène
Réseaux hétérogènes
Systèmes hétérogènes
Méthodes à haute résolution
Homogénéisation
Interaction homme machine
Interface homme machine
Systèmes dynamiques hybrides
Identification
Imagerie
Dasmètre individuel
Perturbations électromagnétiques
induites et rayonnées
Procédés industriels
Géométrie de l’information
Conception de circuits intégrés
Circuits intégrés
Systèmes interconnectés
Phénomènes d’interface
Détection d’intrusions
Inversion
Problèmes inverses
Echantillonnage aléatoire
Décodage itératif source-canal
Codage conjoint source-canal
Méthodes à noyaux reproduisants
Systèmes à base de connaissances
Extraction de la connaissance
Ingénierie de la connaissance
Représentation des connaissances
Antennes lacunaires
Détection foudre
Protection foudre
Foudre
Matériau Niobate de Lithium
Optimisation LMI
Systèmes LPV
LTE
Lubrification
Apprentissage par renforcement
Processus et chaines de Markov
Science des matériaux
Mécatronique
5.5
5.3
5.4
7.3
7.3
7.3 ; 7.6
5.6
7.7
7.5
5.3
1.5 ; 7.1
7.7
2.2
1.6
7.3
1.4
2.3
7.1
3.6
7.1
5.1
2.1 ; 2.5 ; 3.6
4.7
4.7
7.4
6.7
5.5
7.7
4.7
7.1
3.1
4.2 ; 4.3
3.1
2.5
5.6
2.3
3.5
1.2
1.6
6.4
5.4
5.3
1.5
4.7
6.1
6.2
1.1
6.3
3.2 ; 3.3
2.2
5.5
2.5
4.5
4.5
2.2
3.4
3.4
3.4
3.4
2.5
7.1
7.1
7.1
6.8
1.3
1.3
4.2
7.7
3.5
3.7
6.4
1.5
P122 à 128:p122 à 125 29/10/09 12:28 Page7
.....................................................................................................................................................................................................................................
Keywords
Mots clés
.....................................................................................................................................................................................................................................
Medical, biological sensors
Mesh networks
Metamaterials
Microelectromechanical devices
Microscopy
Microwave imaging for
biomedical applications
Microwave measurements
MIMO
Missing Observations
Mixers
Mobile phones
Model driven engineering
Model of computation
Modeling
Modulated scattering technique
Motor drives
Multi-coeur processors
Multi-paradigm modeling
Multi-sensors systems
Multi-standard systems
Multistatic scattering
Multiuser detection
Nanotechnology
Neural networks
New Coatings
Nitride materials
Non Gaussian clutter
Non linear Dynamics
Nondestructive testing
Nonlinear distortion
Nonlinear optics
Nonlinear oscillators
Nonlinear predictive control
Nonlinear systems
NP-complete problems
Observers
On-site field measurements
Optical devices
Optical sensors
Optical Solitons
Optical transmission
Optimum Design
Optoelectronic devices
PAPR reduction
Parallel programming
Partial discharges
Passivity-based control
Phased arrays
Phaseless measurements
Photoconductivity
Photorefractive materials
Photovoltaic cells
PHY layer security
Piecewise-Diffusion Processes
Piezoelectric resonator filters
Plasma applications
Polarisation control
Polarization
Polymer
Power electronics
Power quality
Power systems
Power systems
Predictive control
Probe arrays
Quality of Service
Radar polarimetry
Radio-frequency compatibility
of aeronautic systems
Radio-frequency identification
Raman spectroscopy
Random matrices
Random point processes
Capteurs biologiques et médicaux
Réseaux sans fils maillés
Métamatériaux
MEMS
Microscopie
Imagerie micro-onde pour
applications biomédicales
Caractérisation micro-ondes
MIMO
Echantillonnage avec pertes
Mélangeurs de fréquences
Téléphones portables
Ingénierie dirigée par les modèles
Modèles de calcul
Modélisation
Méthode de diffusion modulée
Systèmes de motorisation
Processeurs multi-cœurs
Modélisation multi-paradigme
Systèmes multi-capteurs
Systèmes multistandards
Diffusion multistatique
Détection multiutilisateurs
Nanotechnologies
Réseau de neurones
Revêtements innovants
Matériaux nitrures
Fouillis non gaussien
Dynamique non linéaire
Contrôle non destructif
Distorsions non linéaires
Optique non linéaire
Oscillateurs non-linéaires
Commande prédictive non-linéaire
Problèmes NP-complets
Observateurs
Mesure de champ sur site
Composants optiques
Capteurs optiques
Solitons optiques
Transmissions optiques
Planification d’expériences
Composants optoélectroniques
Réduction PAPR
Parallélisation de calculs
Décharges partielles
Contrôles des systèmes passifs
Evaluation de performance
Réseaux phasés
Méthodes de mesure sans phase
Photoconductivité
Matériaux photoréfractifs
Cellules photovoltaïques
Communications sécurisées
Processus diffusifs par morceaux
Filtres à résonateur piézoélectrique
Applications des plasmas
Contrôle de polarisation
Polarisation
Polymères
Electronique de puissance
Qualité de l’énergie
Réseaux d’énergie
Systèmes de puissance
Commande prédictive
Réseaux de sondes
Qualité de service
Polarimétrie radar
Compatibilité radio-électrique
des systèmes aéronautiques
Identification radio-fréquence
Spectroscopie Raman
Matrices aléatoires
Processus ponctuels
6.8
4.3
5.6
6.1
7.7
5.2
5.6
2.4 ; 4.2
2.5
6.4
5.4
3.1
3.1
1.6
5.2
7.3
3.6
3.1
2.1
4.2
5.6
4.1
7.7
5.6
7.7
6.7
2.4
6.6
5.5
4.1
6.6
6.1
1.4
1.1 ; 1.6
3.7
1.6 ; 6.4 ; 7.3
5.4
6.7
6.8
6.6
6.5
2.2
6.5
4.1
3.6
7.5
1.1
3.7
5.7
5.1
6.3
6.6
6.3
4.1
2.2
4.6
7.4
6.7
5.7
6.8
7.2
7.1
7.1
7.3
1.2
5.1
3.7
5.6
5.3
5.2
6.8
4.7
2.1
Recherche Research
Real time imaging
Receivers
Reconfigurable architecture
Reduced Order Systems
Relaying
Reliability
Remote sensing
Resonant cavity LED
Reverberating chambers
Robust header reception
Robustification
Robustness
Safety
Sampled-data systems
SAR of base station antennas
SAR
Security
Self-testing
Semantic Web
Semiconductor defects
Semiconductor device modelling
Semiconductor heterojunctions
Semiconductor lasers
Semiconductor
materials measurements
Sensor networks
Sigma-delta modulation
Signal processing
Signal segmentation
Simulation
Site security monitoring
Smart environments
Smart materials
Smart sensors
Software Defined Radio
Soliton cavity
Source separation
Specific Absorption Rate
Speech recognition
Spiral antennas
STAP
Stochastic Differential Equations
Submillimeter wave detectors
Surface analysis
Surface emitting lasers
Surface modification
Switching system
System modelling
Systems with delays
Terahertz optics
Thin film devices
Thin films
Time domain measurements
Time series
Transformers
Tribology
Ultra violet optical source
Ultra-wide band antennas
Uncertain systems
Unsupervised learning
VCSEL
Viability theory
Vidéo surveillance
Vulnerability of complex systems
Watermarking
Wave transformation algorithms
Wavelength Division Multiplexing
Welding
WiMAX
Youla parametrization
2009 / 2011
Imagerie temps réel
Récepteurs
Architecture reconfigurable
Ordre optimal d’un modèle
Relais
Fiabilité
Télédétection
LED à cavité résonante
Chambres réverbérantes
Réception robuste d’entêtes
Robustification
Robustesse
Sûreté
Systèmes échantillonnés
DAS des antennes relais
Radar à synthèse d’ouverture
Sécurité
Auto-test
Web sémantique
Défauts dans les semiconducteurs
Modélisation de composants
à semiconducteurs
Hétérojonctions à semiconducteurs
Lasers à semiconducteurs
Mesures sur les matériaux
semiconducteurs
Réseaux de capteurs
Modulation Sigma-Delta
Traitement du signal
Segmentation de signal
Simulation
Contrôle de la sécurité
Environnement intelligents
Matériaux actifs
Capteurs intelligents
Radio logicielle
Solitons de cavité
Séparation de sources
Débit d’Absorption Spécifique
Reconnaissance de la parole
Antennes spirales
STAP
Equations différentielles
stochastiques
Détecteurs en ondes submillimétriques
Analyse de surface
Lasers à émission par la surface
Modification de surface
Systèmes à commutation
Modélisation de systèmes
Systèmes à retards
Terahertz et quasi-optique
Composants en couches minces
Films minces
Mesures dans le domaine temporel
Séries chronologiques
Transformateurs
Tribologie
Sources optiques ultra violet
Antennes ultra-large bande
Incertitude
Apprentissage non supervisé
VCSEL
Viabilité
Vidéosurveillance
Vulnérabilité des systèmes complexes
Tatouage
Algorithmes de transformation d’ondes
Multiplexage en longueur d’onde
Soudage
WiMAX
Paramétrisation de Youla
5.2
4.1
6.2
2.2
7.1
7.7
5.5 ; 5.6
6.7
5.3
4.5
1.3
1.3
1.2
1.1
5.4
2.4
4.5
6.1
3.4
6.3
6.3
6.3
6.5 ; 6.6
6.3
4.3
4.6
2.3 ; 6.2
2.3
3.7
3.2 ; 3.3
3.5
7.6
3.5
4.4 ; 4.6 ; 6.2
6.6
2.1
5.4
2.3
5.7
2.4
2.2
6.4
7.7
6.7
7.7
1.2
3.7
1.1
6.4
6.3
6.4
5.1
2.1
7.2
7.7
6.7
5.2
1.3
2.3
6.5
1.4
2.3
5.3
4.5
5.1
6.5
7.7
4.2
1.3
125
P122 à 128:p122 à 125 26/10/09 14:10 Page6
126
P122 à 128:p122 à 125 26/10/09 14:10 Page7
127
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Conception/Réalisation : Fidelis 01 69 41 41 41
Crédits photos : Shutterstock® couv.1, Jupiter images couv.4.
Créée en 1894, Supélec se développe aujourd’hui
dans la région parisienne à Gif-sur-Yvette (depuis
1975), en Lorraine à Metz (depuis 1985), en
Bretagne à Rennes (depuis 1972).
Founded in 1894, Supélec today operates on
three campuses: the Paris region in Gif-surYvette (since 1975), Lorraine in Metz (since 1985),
Brittany in Rennes (since 1972).
Supélec participe aux pôles de compétitivité
System@tic, Mov’eo et AsTech en Île-de-France,
Images & Réseaux en Bretagne, Matéralia en
Lorraine. Supélec est membre de deux réseaux
Thématiques de Recherche Avancée (RTRA) :
Digiteo et Triangle de la Physique.
Supélec participates in the following competitiveness clusters: System@tic, Mov’eo and AsTech
in the Ile-de-France region, Media & Networks in
Brittany, Materalia in Lorraine. Supélec is a member of two Thematic Advanced Networks (RTRA):
Digiteo and Triangle de la Physique.
En 2007, Supélec et Centrale Paris ont créé
l’Institut Carnot C3S “Centrale-Supélec Sciences
des Systèmes” (voir la présentation). Leur partenariat s’est transformé en novembre 2008 en une
alliance stratégique. Désormais tous les grands
projets sont examinés ensemble et chaque projet
commun est l’occasion d’un rapprochement des
deux structures.
In 2007, Supélec and Centrale Paris have created
the “Carnot Institute” C3S “Centrale-Supélec
Sciences des Systèmes” (see inside). They
extended their partnership to a strategic alliance
in November 2008. The schools work jointly on
major projects, each serving to bring the two
schools closer together.
www.supelec.fr
Campus de Gif-sur-Yvette
Plateau de Moulon
3 rue Joliot-Curie
Tél. : + 33 (0)1 69 85 12 12
Fax : + 33 (0)1 69 85 12 34
Campus de Metz
Metz Technopôle
2 rue Edouard Belin
57070 Metz
Tél. : + 33 (0)3 87 76 47 47
Fax : + 33 (0)3 87 76 47 00
Campus de Rennes
Avenue de la Boulaie
CS 47601
35576 Cesson Sévigné Cedex
Tél. : + 33 (0)2 99 84 45 00
Fax : + 33 (0)2 99 84 45 99
Recherche Research 2009/2011
A single institution located on three
networked campuses
Fidelis 01 69 41 41 41
Une seule école sur trois campus
organisés en réseau
Fidelis
RECHERCHE
RESEARCH
2009 / 2011

Signaux et échantillonnage singuliers

Transcription

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