Etude des codes détecteurs-correcteurs d’erreurs pour la couche MAC des futurs réseaux de distribution d’énergie (SMART –GRID)

Sujets de thèse

Intitulé de la thèse
Etude des codes détecteurs-correcteurs d’erreurs pour la couche MAC des futurs réseaux de distribution d’énergie (SMART –GRID)
Publication du sujet sur le site de l’ABG : OUI
Nature du financement : Financement institutionnel, Contrat Doctoral, Financement régional, Contrats université sur projets,)
Domaine de compétences principal (pour l’ABG) : Sciences pour l’Ingénieur
Domaine de compétences secondaire (pour l’ABG) : Informatique, électronique
Spécialité de doctorat : Electronique des hautes fréquences, Photonique et Systèmes

Lieu de travail
ENSIL Limoges, 16 rue Atlantis, 87068 Limoges cédex
Date Limite de candidature : 15/06/2012
Laboratoire d’accueil : XLIM/C2S2

Introduction
Le sujet de thèse proposé s’insert dans le cadre de l’optimisation des futurs réseaux de distribution d’énergie: les smart grid. Ces réseaux devront être capables de s’autoconfigurer en temps réel pour faire face aux pointes de trafic mais ils devront également être capables d’agglomérer des sources d’énergie très hétérogènes telles que des éoliennes, des centrales hydrauliques ou des centrales nucléaires. Le sujet de thèse consiste en l’optimisation des échanges de flux d’informations au sein d’un tel réseau.

Présentation de l’équipe de recherche
L’équipe de recherhe ESTE du département C2S2 (Etude des Systèmes de Télécommunication) cherche à optimiser les systèmes de transmissions numériques au travers par exemple de leur couche physique(codage de canal, codage temps-espace pour les systèmes MIMO, synchronisation…) mais aussi des couches plus hautes avec l’étude de la couche MAC (pour les systèmes multi-utlisateurs et multi-services) de systèmes de transmission numérique et des systèmes coopératifs de transmission par relais.

Résumé de la thèse en français
Le sujet de thèse consiste à définir des schémas de codage de canal pour la couche MAC des futurs systèmes smart grid et à quantifier leur efficacité dans des environnements réalistes de simulation. Une solution possible peut consister en l’étude des codes Fontaines qui permettent une adaptation automatique aux fluctuations du canal de propagation. L’aspect sécurité pourra être également abordé au travers de l’étude des codes rank-metric. Il faudra également, de par le nombre important des noeuds de communication dans le réseau et la topologie de réseau retenue, étudier l’apport du codage de réseau ou network coding.

Résumé de la thèse en anglais
The goal of this PhD is to study different schemes of channel coding for the MAC layer of future smart grid systems and to quantify their efficiency. A first promising approach would be to use fountain codes suh as Raptor codes since they are able to adpat themselves to time varying channels. Raptor codes are very famous rateless codes, they are made of the concatenation of an inner Luby transform (LT) code to provide the rate compatibility and a high-rate outer code to reduce the error floor of the LT code, and can approach the capacity limit of different channel models.
A second approach to guarantee security may consist in the study of rank metric codes. Furthermore, due to the presence of a high number of communicating nodes, network coding schemes should be applied to enhance the performances of the proposed system.

Description complète du sujet de thèse
L’infrastructure du réseau actuel de distribution d’énergie électrique qui date du lendemain de la seconde guerre mondiale n’est plus à même d’affronter les nouveaux défis technologiques posés par la multiplicité des nouvelles sources d’énergie. Un problème épineux qui se posera par exemple rapidement lorsque l’introduction des véhicules électriques se fera de façon massive est l’effondrement du réseau actuel face à la recharge massive des batteries le soir aux heures de pointe.
L’introduction d’une certaine intelligence dans le réseau de distribution d’énergie électrique visera entre autres à mieux réguler la distribution grâce à la diffusion à l’aide de compteurs intelligents de l’information de consommation en temps réel des usagers. Le mot «smart grid» désigne un ensemble d’outils logiciels et matériels qui permettront une distribution efficace de l’énergie, une réduction de la marge de production instantanée, une possibilité de transfert d’énergie dans les deux sens, des systèmes de surveillance et de monitoring avancés fonctionnant en temps réel etc …
La diffusion de ces dernières informations se fera au travers d’un réseau dont la topologie est très variable selon les régions mais il est clair que le moyen de transmission privilégié sera le réseau électrique 50 Hz via la technologie des CPL (Courants Porteurs en Ligne). Les caractéristiques très particulières et très défavorables (présence de bruits impulsifs due à la désadaptation d’impédances de nombreux appareils électriques) de ce milieu ainsi que le nombre très important de nœuds de transmission dans les grands centres urbains font que la transmission d’informations fiables sécurisées devient un véritable défi. Il faudra également tenir compte du fait que les messages n’ont pas tous la même priorité; certains messages d’alerte de surcharge du réseau devront être diffusés en priorité vers les centres de surveillance du réseau. Une topologie possible d’un tel réseau est illustrée sur la figure 1.
L’objectif de ce sujet de thèse est la mise en place d’une architecture de réseau de communication fiabilisée dans le contexte smart grid. Plusieurs solutions sont à envisager et à explorer.
Une première idée consiste en l’utilisation de codes rateless de type fontaine qui permettent d’adapter automatiquement le débit de transmission à l’état du canal mais aussi à la qualité de service requise par la nature du message 1-4]. Ces codes, se greffant dans la couche MAC (Medium Access Control), permettent de restituer les messages perdus à partir de n’importe quel ensemble de paquets correctement reçus à condition d’en avoir un nombre suffisant.
Il faudra également étudier la possibilité d’utiliser les codes polaires pour la couche MAC des réseaux smart grid. En effet, il a été montré que ces codes permettent d’atteindre la capacité théorique des principaux canaux de communication rencontrés y compris dans un contexte multiutilisateurs 5-10]. Ces codes présentent donc une alternative intéressante aux codes Fontaine précédemment évoqués.
Une autre idée à creuser dans le cadre de ce sujet de thèse est l’utilisation du codage de réseau (Network Coding) où les flux de différents utilisateurs sont mélangés à une station relais à l’aide d’opérateurs ou exclusif pour obtenir de nouveaux messages de redondance. Le codage réseau a été présenté comme une solution pertinente à la transmission dans les réseaux de smart grid notamment dans [11]. Il peut intervenir à plusieurs niveaux. Le premier niveau auquel on pense classiquement est la minimisation du nombre de paquets à transmettre en profitant intelligemment de la présence de relais à base de ou exclusif à certains endroits du réseau. C’est l’approche classique retenue en network coding où l’on montre que l’on peut accroitre la capacité des réseaux avec une telle approche.

Cependant, il existe d’autres niveaux où l’utilisation du codage réseau peut s’avérer judicieuse. En pensant à une approche de type cross-layer, on peut mettre en place par exemple dans le routage des paquets au niveau du réseau des métriques de coût qui tiennent compte à la fois de la qualité des liens physiques (SNR instantané par exemple entre deux nœuds du réseau) mais aussi de la quantité d’information à transporter selon la priorité des messages à transmettre. On peut également mettre en place une architecture de réseaux de capteurs où l’on place les relais de telle sorte que la topologie du réseau ainsi constitué coincide le plus possible avec celle d’un code en bloc performant, par exemple de type LDPC [12-13]. Le cas d’un réseau smart grid urbain de grande taille, avec plusieurs milliers de nœuds, doit permettre d’obtenir un codeur équivalent puissant. L’inconvénient d’une telle approche est que la destination doit être en permanence au courant de la topologie des liens de connexion dans le réseau; or cette topologie peut varier dans le temps, particulièrement si les liens entre les nœuds se font en espace libre.
Enfin, il est prévu également de regarder l’utilisation es codes de type rank-metric. Ces codes sont précieux dans le cas d’une topologie réseau complexe décentralisée où la destination ne connaît pas toutes les interactions entre les nœuds dans le réseau pour détecter la présence d’erreurs intentionnelles ou non en réception. Leur utilisation en codage réseau est assez nouvelle et semble apporter des perspectives très prometteuses [14-16].

Références:

[1] J. Byers, M.Luby and M.Mitzenmacher and S. Rost, “A Digital Fountain Approach to Asynchronous Reliable Multicast”, IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 20, n°8, pp. 1528-1540, October 2002.
[2] P. Cataldi, A. Tomatis, G. Grilli and M.Gerla, “A Novel Data Dissemination Method for Vehicular Networks with Rateless Codes”, in Proc. IEEE WCNC 2009, Budapest, Hungary, April 2009.
[3] M.Luby, “LT Codes”, in Proc. IEEE FOCS 2002, Vancouver, BC, Canada, November 2002.
[4] A. Shokrollahi, “Raptor Codes, IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 52, n°6, pp. 2551-2567, June 2006.
[5] Eslami, A.; Pishro-Nik, H.;”A practical approach to polar codes”, Information Theory Proceedings (ISIT), 2011 IEEE International Symposium on, pp. 16-20.
[6] Korada, S.B.; Şaşoğlu, E.; Urbanke, R.;”Polar Codes: Characterization of Exponent, Bounds, and Constructions”, Information Theory, IEEE Transactions on, Volume: 56 , Issue: 12, pp. 6253-6264, Déc. 2010.
[7] Mori, R.; Tanaka, T., “Performance of polar codes with the construction using density evolution”, IEEE Communication Letters, Vol. 13, Issue 7, pp. 519-521, July 2009.

Objectifs scientifiques de la thèse
Les objectifs scientifiques sont nombreux et variés:
– Définition d’une nouvelle couche MAC pour les mart grid avec les protocoles d’émission-réception correspondant ainsi que les schémas de codage
– Modélisation réaliste d’un futur réseau urbain de smart grid
– Sécurisation des flux transmis sur un tel réseau avec l’utilisation de nouveaux codes tels que les codes rank-metric
– Mise au point de nouveaux outils d’optimisation pour le choix de codes détecteur-correcteur d’erreurs pour un réseau de smart grid.

Compétences à l’issue de la thèse
Plusieurs domains sont concernés, il est clair qu’à l’issue de la thèse, le doctorant pourra prétendre à une certain degré d’expertise dans les domaines suivants:
– codage de canal
– architectures de réseaux et protocoles de transmission
– modélisation des canaux CPL
– sécurité des réseaux

Mots clés (séparés par des virgules)
smart grid, codage de canal, codes Fontaines, Raptor codes, Rank-metric codes, codage réseau ou network coding, protocoles d’échanges d’information, sécurité
Conditions restrictive de candidature (nationalité, âge, …) : NON

Expérience/profil souhaité(e)
Nous recherchons un candidat avec un profil ingénieur en Télécommnications qui soit compétent à la fois au niveau de la couche physique (codage de canal)mais aussi en réseau ave de bonnes connaissances de base.

Modalité de dépôt des candidatures
Les candidats contactent soit Monsieur Vahid Meghdadi (meghdadi@ensil.unilim.fr, tel: 05-55-42-36-56), soit Monsieur Jean-Pierre Cances (cances@ensil.unilim.fr, tel: 05-55-42-36-96). Ils envoient leurs CV’s et ils auront un entretien téléphonique préliminaire.

Directeur de thèse
Monsieur Vahid Meghdadi,
ENSIL Limoges,
16 rue Atlantis,
87068 Limoges cédex
Adresse mail du directeur de thèse : [meghdadi@ensil.unilim.fr
Téléphone Directeur de thèse : 05-55-42-36-56

Co-directeur de thèse
Monsieur Jean-Pierre Cances,
ENSIL Limoges,
16 rue Atlantis,
87068 Limoges cédex
Adresse mail du co-directeur de thèse : cances@ensil.unilim.fr
Téléphone co-Directeur de thèse : 05-55-42-36-96

Justification du cofinancement LABEX
Le cofinancement n’est pas demandé car il s’agit d’n sujet fléché au sein de C2S2. Cependant, le sujet s’inscrit parfaitement dans le cadre de la thématique énergie du LABEX SIGMALIM.
Thématique LABEX concernée : Thème 7: Energie
Thèse pour Action transverse : OUI

Action transverse concernée et justification
Une étude au niveau de la sécurité de tel réseaux peut se faire en collaboration avec le département DMI (Philippe Gaborit) en bénéficiant de leur expérience dans le domaine des rank-metric codes.
Fichier annexe (pdf) : Fiches_de_these_MR2_2012

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