Supporting Massive Machine Type Communication in Beyond 5G Networks: Fundamental Limits and Practical Heuristics

Doctorant : Shashwat MISHRA

Laboratoire INSA : CITI

École doctorale : ED160 : EEA (Electronique, Electrotechnique, Automatique)

This work focuses on supporting massive access in beyond 5G networks. First, we derive the fundamental information theoretic limits of connectivity under the spatial continuum model considering Rayleigh fading. We prove that achieving perfect reliability is impossible in such a setup and therefore we evaluate the fundamental EE-SE tradeoff considering outage. We extend the formulation to the case of discrete spatial continuum model as well as the case of multiple fading states and show that the discrete model approaches the continuum case with relatively few levels of superposition. Following this theoretical analysis, we present a graph-matching based heuristic for resource allocation in NOMA-aided massive access with multiple fading states. This pragmatic approach relies on grant-based mechanism such as the fast uplink grant to efficiently schedule resources for NOMA-based massive machine type deployments. We present a comparative analysis of the fundamental results and the heuristics and show that the heuristics closely approach the fundamental limits. This work comprehensively covers both the uplink and downlink massive access scenarios considering the respective power budgets as well as quality of service constraints. Moving to the multi-antenna setup, we present a graph neural network-based framework for real-time power allocation in cell- free massive MIMO networks to support massive access. This part of the thesis concentrates on formulating novel graph representations for the network that are used in a supervised learning framework to adaptively learn approximating the maximum ratio transmission precoding for partially and fully connected cell-free massive MIMO systems.  

Détection et segmentation des anomalies en imagerie ultrasonore 3D et en imagerie industrielle par des approches d’apprentissage automatique supervisées ou non supervisées

Doctorante : Flora ESTERMANN

Laboratoire INSA : CREATIS

École doctorale : ED160 : EEA (Electronique, Electrotechnique, Automatique)

La détection d’anomalies faiblement contrastées dans les images est une problématique partagée à la fois par le domaine médical et l'industrie. Au cours de cette thèse, nous avons développé des méthodes d’apprentissage automatique pour la détection d’anomalies dans deux contextes différents: la détection des lésions ponctuées de la substance blanche (PWML) en échographie 3D chez les enfants prématurés par apprentissage supervisé pour notre application médicale, et la détection de défauts par apprentissage non supervisé pour des applications industrielles.

Le premier chapitre du manuscrit fournit une vue d’ensemble des quatre thématiques principales de nos recherches avec l’état de l’art correspondant : segmentation et classification supervisées pour la détection des lésions, classification non supervisée pour la détection des défauts, quantification des incertitudes pour l’explicabilité des résultats. La suite du manuscrit décrit séquentiellement les contributions de la thèse au domaine. Le deuxième chapitre présente notre étude sur les caractéristiques des PWML à l’échographie et introduit l’approche que nous avons proposée afin de réaliser la sur- segmentation des PWML dans les volumes ETF. Le troisième chapitre s’attaque directement aux méthodes de classification multi-vues proposées pour améliorer la précision de nos prédictions après la segmentation, et détaille également la manière dont nous avons intégré le cadre des prédictions conformes afin d’apporter une meilleure interprétabilité des résultats et un niveau de confiance plus élevé pour les médecins. Enfin, le dernier chapitre présente les approches non supervisées proposées pour la détection des défauts dans les images industrielles, en intégrant la détection conforme des anomalies également.

Nos résultats sont très encourageants pour le futur de l’intégration des modèles d’IA dans l’aide au diagnostic. De plus, dans le but de rendre nos modèles plus interprétables aux yeux des praticiens et des industriels, nous avons également traité la quantification des incertitudes en considérant le cadre des prédictions conformes dans nos approches.
 

Neurones à impulsion pour les communications sans fil

Doctorant : Guillaume MARTHE

Laboratoire INSA : CITI

École doctorale : ED 160 : EEA (Electronique, Electrotechnique, Automatique)

Dans le contexte de l’Internet des Objets, l’un des plus grands défis réside dans la gestion énergétique. Les radios à réveil (Wake-up Radio) permettent aux dispositifs de rester en veille tout en consommant très peu d’énergie, se réveillant uniquement lors de la réception de signaux spécifiques.Dans cette thèse, nous proposons d’utiliser les réseaux de neurones à impulsions (SNNs) comme Wake-up Radio (WuR). Le rôle du réseau de neurones sera de reconnaître la séquence d’activation du noeud concerné dans un flux de bits, afin de le réveiller. Nous présentons tout d’abord les hypothèses et modèles de neurones, de réseau et de signaux utilisés pour notre étude. La première contribution est de montrer la pertinence de ces réseaux. Notre seconde contribution a été l’étude et la proposition du modèle Saturating Leaky Integrate and Fire pour le conception d’une WuR. Dans cette partie, nous proposons d’utiliser un phénomène bio- inspiré appelé Interaction Synaptique afin de produire un filtre temporel dépendant de l’Inter-Spike Timing. Nous étudions les paramètres de ce modèle afin de comprendre comment adapter cette plage d’Inter-Spike Timings. L’originalité de cette contribution est de proposer un nouveau moyen d’utiliser des séquences temporelles dans le domaine de l’analogique. Par la suite, différentes topologies de réseaux de neurones Saturating Leaky Integrate and Fire (SLIF) ont été explorées, notamment une topologie en ligne, en losange et réseau multi-couches, afin de comprendre comment le réseau répond aux séquences d’impulsions. Cette thèse établit ainsi les bases pour des recherches futures sur l’utilisation des réseaux neuromorphiques dans les dispositifs Internet des Objets (IoT) à faible consommation d’énergie, notamment dans les WuR. Les travaux accomplis ouvrent la voie à la conception de réseaux de neurones capables de traiter des signaux temporels complexes tout en maximisant l’efficacité énergétique, répondant ainsi aux exigences des applications IoT.

Capteurs multiphysiques miniaturisés et intégrés pour contrôles et analyses structures

Doctorant : Eliott BRUN

Laboratoire INSA : LGEF

École doctorale : ED160 : EEA (Electronique, Electrotechnique, Automatique)

Les méthodes actuelles de contrôle non destructif (CND) se basent majoritairement sur l'utilisation de capteurs manuels pour détecter des défauts tels que les fissures et les porosités, notamment lors des phases de production et de maintenance. Toutefois, ces techniques sont souvent limitées par le coût, la taille des équipements, et la nécessité d'une intervention humaine, ce qui les rend inadaptées à certaines applications industrielles où l'accès est difficile ou dangereux. Cette thèse explore la miniaturisation des capteurs CND à ultrasons et à courants de Foucault pour répondre aux besoins de surveillance en continu des structures, une approche intégrée dans le concept de suivi de santé des structures (SHM). L'objectif est de développer des capteurs légers, intégrables directement dans les structures, capables de surveiller en temps réel leur état tout en minimisant les coûts et les risques associés aux méthodes conventionnelles. Les travaux se concentrent sur deux axes principaux : la miniaturisation des capteurs à courants de Foucault, via l'utilisation de bobines plates imprimées ou sérigraphiées, et la conception de capteurs ultrasoniques miniaturisés basés sur des composites piézoélectriques. Pour les capteurs à courants de Foucault, l'accent est mis sur l'optimisation du facteur de qualité des bobines pour maximiser leur efficacité. Les capteurs ultrasoniques, quant à eux, sont développés à partir de films composites polymère-piézoélectriques, optimisés pour fonctionner à haute température. Les résultats démontrent que ces capteurs miniaturisés offrent des performances prometteuses en termes de détection des défauts, de mesures d'épaisseur et de durabilité en environnements extrêmes. Cette thèse pose ainsi les bases pour une nouvelle génération de capteurs CND miniaturisés, ouvrant la voie à une adoption plus large du SHM dans les secteurs tels que l'aéronautique, le ferroviaire, et l'énergie. Les perspectives de développement sont nombreuses, avec des applications potentielles dans diverses industries critiques.

Intégration de centres colorés en nanophotonique silicium : contrôle de la localisation des émetteurs et ingénierie d’émission spontanée

Doctorante : Hugo QUARD

Laboratoire INSA : INL
École doctorale : EDA160 : EEA (Électronique, Électrotechnique, Automatique)

Depuis des décennies, chercheurs et ingénieurs explorent l'intégration de sources lumineuses efficaces dans la plateforme en silicium. Récemment, les centres colorés dans le silicium ont émergé comme candidats prometteurs pour ces sources lumineuses dans les bandes du proche infrarouge et des télécommunications. Isolés, ces défauts agissent comme des sources de photons uniques, ouvrant la voie à l'intégration de dispositifs photoniques quantiques avec les plateformes électroniques en silicium. Cependant, quelques verrous persistent : (i) les processus actuels pour créer ces défauts sont complexes et nécessitent généralement des étapes d'implantation, et (ii) le contrôle de la direction et de la polarisation de la lumière émise par les centres colorés reste difficile. Dans ce travail, nous abordons le premier verrou en démontrant qu’un recuit laser femtoseconde permet d’obtenir des centres colorés dans des substrats commerciaux en silicium sur isolant sans implantation. Cela permet de générer des centres W dans une zone restreinte de taille inférieure à la section transversale du spot laser. Le deuxième verrou est traité en couplant les centres colorés avec des structures photoniques en silicium. Nous avons amélioré la directivité de l'émission des centres G en les intégrant dans des résonateurs de Mie en silicium fabriqués par démouillage. Par des simulations FDTD, nous avons estimé une efficacité d'extraction dépassant 60%, et les données expérimentales indiquent que nous pouvons collecter plus de 90% du signal émis dans l'espace libre avec une ouverture numérique standard. Nous avons également démontré par des simulations que l’intégration des centres colorés dans des cristaux photoniques permet d’obtenir des états de polarisation diverses à partir des centres émettant initialement une onde polarisée linéairement. Des cristaux photoniques présentant les modes optiques d’intérêt ont été réalisés expérimentalement. L'ensemble de ces résultats montre une avancée dans le contrôle de la localisation des centres créés et l’ingénierie de leur émission spontanée

Développement d'encres fonctionnelles pour l'in-Mold Electronicc

Doctorant : Thomas GUÉRIN

Laboratoire INSA : AMPERE

École doctorale : ED160 : EEA (Electronique, Electrotechnique, Automatique)

Cette thèse explore le domaine émergent de la plastronique 3D, qui combine l’électronique et la plasturgie pour intégrer des circuits électroniques sur des substrats 3D en polymère. Le travail se concentre sur le développement d’encres conductrices pour le procédé In-Mold Electronics (IME), une technique prometteuse pour la production en grand volume de dispositifs plastroniques, notamment pour les interfaces homme-machine.

Le processus IME comprend plusieurs étapes : l’impression de pistes conductrices sur un film mince de polycarbonate à l’aide d’encre conductrice, le transfert des composants électroniques sur le film et leur connexion au circuit par collage, le thermoformage du film en 3D et le surmoulage 3D par injection de thermoplastique.

La thèse étudie différentes formulations d’encres conductrices, en se concentrant sur celles composées d’une matrice polymérique organique contenant des charges métalliques micrométriques, avec l’argent comme conducteur électrique. Des encres à base de matériaux organiques issus de la pétrochimie ont été élaborées.

Deux encres se sont démarquées : l’encre N°1 (Vinnol H30/48M) avec une faible résistivité mais peu thermoformable, et l’encre N°2 (TPU 4878 NT1) avec des performances satisfaisantes en résistivité et thermoformage.

En parallèle, des encres conductrices biosourcées ont été formulées, dont l’encre N°3 (PLA-CY-804) avec une faible résistivité et l’encre N°4 (PLA-CY-212) avec de bonnes performances en résistivité et thermoformage. L’encre N°4 se distingue par son respect de l’environnement.

Cependant, des limitations subsistent, notamment des problèmes de délamination et de rupture des pistes conductrices lors du thermoformage, ainsi que le détachement des composants électroniques lors de l’étape d’injection. Ces contraintes géométriques liées au 3D ont été étudiées, mais certaines encres n’ont pas encore été testées jusqu’à la réalisation d’un démonstrateur.

 

Methodology for the robust design of air bleed systems in aeronautics

Doctorant : Gabriel DE CARVALHO FERREIRA SILVA

Laboratoire INSA : AMPERE

École doctorale : ED160 : EEA (Electronique, Electrotechnique, Automatique)

At the design stage, product engineers try to find the perfect balance between the physical parameters of the components and the performance required to properly design a system. It is therefore very important to understand how the choice of physical parameters at the design stage will impact the dynamic behavior of the final product. The problem requires skills in modeling complex multi-physics systems and control theory.
This work investigates the air bleed system of aircraft in collaboration with Liebherr Aerospace Toulouse. Although the structure of each valve and the arrangement of valves in the air bleed system are well known, the parameters that critically impact performance are difficult to identify. Due to the complexity of the model required to reproduce the behavior of valves, its non-linearity and the high degree of coupling between parameters, existing tools quickly show their limits. That is why the aim of the work presented in this thesis is to propose a new methodology that closely address the dynamic aspects of these valves from the design stage and provide a relevant evaluation of their dynamic performance in relation with the design requirements. This new methodology is presented and described from its theoretical concepts to its application to practical problems; it is based on a specific modeling step followed by a numerically solved stability condition, which is formulated as a constrained optimization based on linear matrix inequalities (LMI). The main originality of this work is based on the use of optimization tools to find, not an optimal parameter value, but the admissible ranges for a set of parameters which guarantee the required dynamic behavior.

 

Pilotage d'une chaîne de conversion active et Analyse de Cycle de Vie pour le petit éolien

Doctorant : Adrien PREVOST

Laboratoire INSA : AMPERE

École doctorale : ED160 : EEA (Electronique, Electrotechnique, Automatique)

Cette thèse porte sur l’étude d’une chaîne de conversion active pour le petit éolien. Dans sa configuration initiale, l’éolienne étudiée est équipée d’une génératrice synchrone à aimants permanents raccordée à une batterie via un redresseur à diodes. Dans ce travail, nous proposons une modification du système visant à augmenter son efficacité : remplacer le redresseur à diodes par un redresseur actif, tout en questionnant les impacts environnementaux et sociétaux de cette modification. Dans la première phase du travail, nous avons réalisé un banc d’essais permettant d’émuler le comportement de l’éolienne, afin d’évaluer sa performance en conditions stationnaires et dynamiques. Nous avons ensuite modélisé le système génératrice-convertisseur dans le but de proposer une loi de commande. Pour ce faire, nous avons établi puis validé expérimentalement un modèle réluctant et un modèle par éléments finis de la génératrice. Nous avons ensuite proposé une loi de commande du système avec un redresseur actif qui a montré des gains de performance significatifs en comparaison avec la configuration classique de redresseur à diodes. Nous avons notamment montré que la stratégie pouvait se passer de capteur mécanique de position grâce à un observateur tout en étant robuste aux incertitudes du modèle. Du point de vue environnemental, une Analyse de Cycle de Vie (ACV) du système a montré que les parties les plus impactantes étaient la structure du mât et les batteries. Nous avons proposé un cadre de pensée unifié pour considérer l’optimisation technico-environnementale du système. Enfin, nous avons étudié la communauté du petit éolien auto-construit en France pour comprendre quel effet pourrait avoir l'introduction d'un redresseur actif sur l'appropriation de l'éolienne.

 

 

 

 

Métrologie des techniques de microscopie à sonde locale micro- onde appliquées aux mesures de transport dans le domaine des semiconducteurs

Doctorant :  Damien RICHERT

Laboratoire INSA : INL

École doctorale : ED160 : EEA (Electronique, Electrotechnique, Automatique)

Cette thèse se focalise sur l’établissement d’une métrologie des mesures de propriétés électrique à l’échelle submicrométrique. Le Scanning Microwave Microscopy (SMM), qui permet d’accéder aux propriétés électriques d’un échantillon (impédance, permittivité électrique, tangente d’angle de perte et concentration de dopant), répond à ces critères. Il s’agit d’un microscope à force atomique interfacé à un analyseur de réseaux vectoriel (VNA). Si la métrologie de la mesure électrique utilisant un VNA est bien établie, ce n’est pas le cas pour les configurations SMM. Un VNA permet, s’il est calibré, d’extraire des propriétés électriques à partir de la mesure du paramètre de réflexion. Pour une configuration SMM, la méthode la plus commune est dérivée de la calibration Short- Open-Load utilisant trois impédances connues sur un échantillon de référence. L’un des résultats clé de cette thèse est l’établissement du bilan d’incertitude associé à la mesure d’impédance par SMM. Pour ce faire, une caractérisation de l’échantillon de référence démontra que l’incertitude associée aux valeurs des impédances présentes (0.3; 9.8 fF) est inférieure à 2.8 %. Fort de ce bilan d’incertitude, un second échantillon de référence fut proposé et caractérisé avec une incertitude associée inférieure à 1.9 %. L’incertitude sur la mesure des capacités de référence par le SMM calibré est inférieure à 3 %. Un cas d’application est l’extraction de la permittivité d’échantillons piézoélectriques avec une incertitude inférieure à 10.6 %. L’incertitude due à l’humidité relative (RH) sur la calibration du SMM fut étudiée empiriquement et par simulation numérique. Le RH impacte la calibration à hauteur de 0.4 % pour les capacités de 0.3 fF et devient négligeable pour les capacités au-dessus de 4 fF. Enfin, des courbes dC/dz furent acquise par microscopie à force électrostatique (EFM) sur un diélectrique connu afin d’assurer la traçabilité de la mesure de constante de raideur de la sonde employé.

Eco-friendly nanoimprinting of TiO2 nanostructures for photonic biosensor application

Doctorante : Huiru REN

Laboratoire INSA : INL
École doctorale : EDA160 : EEA (Électronique, Électrotechnique, Automatique)

Cette thèse vise principalement à développer un procédé à faible impact environnemental pour la fabrication de dispositifs photoniques visant une application d'analyse biomoléculaire à usage unique. Le matériau et le procédé doivent donc offrir de bonnes propriétés optiques pour la biodétection : indice de réfraction élevé, bonne transparence, bonne reproductibilité à l'échelle nanométrique. La stratégie de cette thèse est basée sur la mise au point de dispositifs à des cristaux photoniques dans une couche d'oxyde de titane, fabriqués par une technologie "verte" à fort potentiel : la nanoimpression de sol- gel. Deux voies différentes sont étudiées, la nanoimpression thermique et un processus de soft-NIL.