Dissertationen zum Thema „Contrôle à entrées et sorties multiples (MIMO)“

Ce travail concerne un lien de communication sans fil depuis des bus urbains vers un ou plusieurs postes de contrôle pour des applications d'audio et de vidéo surveillance. La solution imaginée s'appuie sur les techniques MIMO et OFDM. Nos travaux se décomposent en trois axes principaux: L'étude et la modélisation du canal de propagation MIMO en milieu urbain dense, le développement et l'évaluation en simulation d'une chaîne de transmission MIMO, le développement d'une chaîne de transmission réelle pour des essais grandeur nature. Un état de l'art sur le canal de propagation MIMO et sa modélisation est d'abord présenté. Des mesures de canaux réels correspondant à un environnement transport ont été réalisées. L'émetteur de la chaîne de transmission réalisée s'inspire du standard WiMAX. En réception, un récepteur simple aux performances moyennes et un Turbo récepteur plus performant mais plus complexe sont étudiés. Plusieurs types de canaux ont été utilisés pour l'évaluation de la chaîne. Les résultats en simulation montrent un Turbo récepteur plus performant en termes de taux d'erreurs, plus résistant aux erreurs d'estimation du canal et à la corrélation spatiale. Ils montrent également que la corrélation du canal a un impact prédominant sur la dégradation des performances de ce type de système comparé notamment à la présence d'un trajet prépondérant. En parallèle de ces travaux, une chaîne de transmission réelle a été développée. Elle est composée des parties radio fréquence du système et de PC générant et traitant les signaux. Les tests réalisés en milieu urbain montrent une dégradation des performances par rapport aux résultats de simulation. Des solutions alternatives sont proposées
This works deals with a wireless link between a bus and a control centre for embedded audio and video monitoring. Our work is split in three part: the MIMO channels and its modelling, the development of the transmission chain in simulation and its evaluation, the development of a real transmission chain. First, a state of the art of the modelling of the MIMO channel is presented. Real channels are measured and its modelling by the Kronecker and Weichselberger models are studied. The transmitter of the considered chained is based on the WiMAX standard. Two receivers are presented and evaluated: a simple receiver and a turbo receiver. Several channel models are used for the evaluation of the performance. The Turbo receiver proved more effective in terms of bits errors rate. It is more resistant to the spatial correlation and to the errors on the channel estimation. The correlation shows more prejudicial than line of sight for the system. Last, a real transmission module has been developed. The real chain corresponds to the RF part. The generation and the treatments of the signals are realized with developed software. First real transmissions show us a degradation of the performance in comparison with simulations. Alternatives solutions are proposed

Les prévisions relatives trafic de données au sein des systèmes de communications sans-fil suggèrent une croissance exponentielle, principalement alimentée par l’essor de transferts vidéo mobiles. Etant donné la nature soudaine et fluctuante des demandes de transfert vidéo, il faut dès à présent réfléchir à de nouveaux algorithmes d’allocation de ressources performants. En effet, les algorithmes en couche physique traditionnels, qui réalisent de l’allocation de ressources sous l’hypothèse classique que les transmetteurs sont toujours saturés avec des bits d’information, risquent à l’avenir de s’avérer inefficients. Pour cette raison, les algorithmes de demain se doivent d’être dynamiques, dans le sens où ils seront capables de prendre en compte la nature stochastique des fluctuations du trafic de données et qu’ils intégreront des informations issus de processus de couches supérieures.L’idée centrale de cette thèse est de développer des algorithmes, travaillant avec des informations issues de la couche PHY et de la couche NET, dans un scénario Multi-cells et MIMO (Multiple Inputs, Multiple Outputs).Plus particulièrement, nous considérons un réseau de stations de base (BS) équipés avec plusieurs antennes, chargés de servir plusieurs terminaux mobiles équipés d’une seule antenne (UT) dans leurs cellules respectives. Ce qui nous différencie des travaux précédents, c’est que nous tenons compte de l’aléa avec lequel des demandes de transferts peuvent arriver et que, pour cette raison, nous modélisons la formation de queue de données au niveau des stations de base. Dans cette disposition, nous développons plusieurs algorithmes multicouches, réalisant de l’allocation de ressources décentralisée, et ce, dans une optique d’efficacité énergétique. En particulier, il s’agit ici de réaliser des algorithmes réalisant du beamforming de façon décentralisée et capables de contrôler des fluctuations de trafic, des algorithmes optimisant l’efficacité énergétique sous une contrainte de qualité de service moyenne, des algorithmes de planification décentralisés dans des scénarios multi-cellulaires. Dans cette perspective, nous choisissons de recourir non seulement à des outils d’optimisation de la théorie de Lyapunov, mais également à la théorie des matrices aléatoires et à la théorie du contrôle stochastique
Future wireless communication systems are expected to see an explosion in the wireless traffic which is mainly fueled by mobile video traffic. Due to the time varying and bursty nature of video traffic, wireless systems will see a widerrange of fluctuations in their traffic patterns. Therefore, traditional physical layer based algorithms which perform resource allocation under the assumption that the transmitters are always saturated with information bits, might no longer be efficient. It is, thus, important to design dynamic resource allocation algorithms which can incorporate higher layer processes and account for the stochastic nature of the wireless traffic.The central idea of this thesis is to develop cross-layer design algorithmsbetween the physical and the network layer in a multiple input multiple output (MIMO) multi-cell setup. Specifically, we consider base stations (BSs) equipped with multiple antennas serving multiple single antenna user terminals (UTs) in their respective cells. In contrast to the previous works, we consider the randomness in the arrival of information bits and hence account for the queuing at the BSs. With this setup, we develop various cross-layer based resource allocation algorithms. We incorporate two important design considerations namely decentralized design and energy efficiency. In particular, we focus on developing decentralized beamforming and traffic flow controller design, energy efficient design under time average QoS constraints and decentralized scheduling strategy in a multi-cell scenario. To this end, we use tools from Lyapunov optimization, random matrix theory and stochastic control theory

La porosité d'une plaque composite carbone / époxy de type RTM est connue par tomographie X. Une méthode de détermination de cette porosité par mesure de l'atténuation des ondes longitudinales à travers l'épaisseur de cette plaque est proposée. Ces mesures sont effectuées sur des surfaces de dimensions variables (quelques cm2 à quelques mm2) et permettent l’obtention de cartographies. Une correspondance porosité (tomo X) – atténuation (onde US) est déduite et analysée en fonction de la structure du matériau composite. Dans chaque cas, on estime la qualité des relations obtenues et on en déduit les limites de validité de la correspondance porosité-atténuation. Des premiers résultats de tomographie acoustiques sont obtenus
The porosity of a composite plate in carbon / epoxy of type RTM is known by used of tomography X. A method of determination of this porosity by measure of the mitigation of the longitudinal waves through the thickness of this kind of plate is proposed. These measures are made on surfaces of different sizes (from some cm2 to some mm2) and allow the obtaining of cartographies. A correspondence porosity (tomo X) - Mitigation (US wave) is deducted and analyzed according to the structure of the composite material. In every case, we estimate the quality of the obtained relations and we deduct the limits of validity of the correspondence between porosity and mitigation. First results of acoustic tomography are obtained

Ce travail porte sur l'étude des systèmes MIMO (multiple-input multiple-output) codés et plus particulièrement les méthodes d'égalisation et de décodage adaptées à ces systèmes. Nous optons à l'émission pour un système utilisant le multiplexage spatial via la structure BICM (Bit Interleaved Coded Modulation). La présence des entrelaceurs rend la réception optimale (égalisation et décodage conjoints) trop complexe. Afin de réaliser un bon compromis complexité/performance, nous proposons d'utiliser une structure de réception itérative. Dans le cas où le canal est sélectif en fréquence, l'égaliseur doit effectuer une égalisation temporelle en plus de l'égalisation spatiale. L'égaliseur optimal est généralement trop complexe dans ce cas. Ainsi, nous proposons pour réaliser un bon compromis complexité/performance d'utiliser l'égaliseur Liste-MAP qui est une version sous-optimale de l'égaliseur MAP basée sur la réduction des états du treillis et le traitement par survivants (PSP : Per Survivor Processing). Afin de lutter contre la propagation d'erreur, nous proposons d'utiliser un filtre adapté blanchissant qui permet de concentrer l'énergie du canal sur ses premiers coefficients. Enfin, nous nous intéressons au problème de l'estimation du canal dans le cas du canal sélectif en fréquence. Nous montrons que les erreurs d'estimation du canal sont équivalentes à une perte en rapport signal à bruit et nous donnons une approximation de cette perte. Puis, nous proposons pour améliorer la première estimation du canal, effectuée en utilisant les séquences d'apprentissage, d'utiliser l'algorithme EM (Expectation Maximisation) en l'intégrant dans notre récepteur itératif. Cette étude est ensuite étendue au cas des systèmes CDMA
In this work, we studied coded MIMO (multiple-input multiple-output) systems, in particular equalization and decoding methods. We choose to use at the transmitter a system based on spatial multiplexing using BICM (Bit Interleaved Coded Modulation) structure. Because of the presence of interleavers, the optimal receiver, based on joint equalization and decoding, is too complex. In order to achieve a good complexity/performance trade-off, we propose to use an iterative receiver. When the channel is frequency selective, the equalizer has to perform time equalization in addition to spatial one. The optimal equalizer is too complex in this case. In order to achieve a good complexity/performance trade-off, we consider a List-type MAP equalizer which is a sub optimal version of the MAP equalizer based on state reduction and Per Survivor Processing (PSP). In order to fight against error propagation, we propose to use a Whitened Matched Filter which concentrates the channel energy on its first taps. In the last part, we study channel estimation when the MIMO channel is frequency selective. First, we show that channel estimation errors are equivalent to a loss in signal to noise ratio and we provide an approximation of this loss. Then, in order to improve the first channel estimation performed using training sequences, we propose to integrate the EM (Expectation Maximisation) algorithm in our iterative receiver. This study is then extended to CDMA systems

Les systèmes multi-antennes (Multiple-Input Multiple-Output: MIMO) représentent une technologie clé pour le déploiement de systèmes de communication sans fil. Cependant, la complexité des détecteurs MIMO de haut débit pose un problème sérieux de mise en oeuvre. Parmi les détecteurs MIMO existants, l’algorithme nommé détecteur à sphère (Sphere Decoder Algorithm: SDA) a vu le jour pour réduire la complexité de traitement par rapport à la technique de détection originale basée sur le maximum de vraisemblance (ML). En outre, il a été démontré que SDA atteint des performances optimales pour les systèmes non codés. Toutefois, pour les systèmes codés, d’autres simplifications dans l’algorithme de détection peuvent être utilisées sans altérer les performances en taux d’erreur. Dans ce contexte, le SDA peut être modifié afin de prévoir une détection basée sur des informations pondérées. LSD (List-Sphere Decoder) a été introduit comme une version à entrées/sorties pondérées de la version SDA originale. Ce travail de thèse traite les aspects algorithmique, architectural et de mise en oeuvre de la détection MIMO basée sur SDA et LSD. Le principal objectif est de proposer des solutions de mise en oeuvre de faible complexité, tout en considérant les exigences des systèmes de communication numérique en termes de débit, de flexibilité et de taux d’erreurs. En particulier, la première contribution est représentée par une amélioration de SDA, ce qui permet une augmentation significative du débit avec une complexité supplémentaire très limitée et sans dégradation en termes de performance en taux derreurs binaires. La méthode de détection proposée, appelée LASDA (Look-Ahead SDA), est basée sur des transformations formelles, à savoir Look-Ahead, recalage et pipeline et sur une stratégie modifiée de recherche arborescente. Une conception efficace de type VLSI du détecteur LASDA supportant un system MIMO 4x4 avec une modulation MAQ-16 est proposée. La deuxième contribution concerne une étude détaillée sur la flexibilité et la convergence de la détection itérative. Deux détecteurs à entrées/sorties pondérées (Soft-Input Soft-Output: SISO) sont considérés: LSD et un filtrage linéaire de faible complexité (Linear Minimum-Mean-Square-Error-Interference-Canceller (MMSE-IC)). Des diagrammes de transfert d’information mutuelle (EXIT charts) sont développés. Cette analyse est orientée pour obtenir les compromis possibles entre complexité et performance pour une implémentation matérielle flexible. La dernière contribution est liée à la conception d’un processeur à jeu d’instructions dédié à l’application (Application-Specific Instruction-set Processor (ASIP)) pour un détecteur SISO LSD. L’ASIP proposé supporte différentes configurations MIMO (2x2, 3x3, 4x4) et différents ordres de modulation (QPSK, MAQ-16, MAQ-64) en plus d’une taille de liste flexible (1 à 64 éléments)
Multiple Input Multiple Output (MIMO) systems are recognized as a key enabling technology in high performance wireless communications. However the complexity of high throughput MIMO detectors poses a serious implementation issue. Among known MIMO detectors, Sphere Decoder Algorithm (SDA) has emerged to reduce the processing complexity, with respect to the original Maximum Likelihood (ML) detection. Moreover, it has been demonstrated that the SDA achieves optimal performance for uncoded systems. However, for coded systems, further simplifications in the detection algorithm can be used without altering the error rate performance if iterative detection and channel decoding is adopted in the receiver. Such an iterative processing with a channel decoder offers significant improvement in error-rate performance for a reduced signal-to-noise ratio. In this context, the SDA can be further simplified and modified in order to provide soft detection: “List Sphere Decoder” (LSD) has been introduced as a soft version of the original SDA. This research thesis focuses on algorithmic, architectural and implementation aspects of the “ Sphere Decoder Algorithm” and the “List Sphere Decoder”. The main objective of the conducted work is to propose area-efficient implementation solutions while considering throughput, flexibility, and error rate performance requirements of advanced digital communication systems. In particular, the first contribution is represented by an improved SDA, which enables significant throughput increase at a very limited additional complexity and with no degradation in terms of Bit Error Rate performance. The proposed detection method, called LASDA (Look–Ahead SDA) is based on formal algorithm transformations, namely look–ahead, retiming and pipelining, besides a modified tree search strategy. An efficient VLSI design of LASDA detector supporting a 4x4 MIMO channel with 16QAM modulation is proposed. Synthesis results for a 130 nm technology are detailed. The second contribution concerns a detailed study on flexibility and convergence of iterative detection and channel decoding. In this regard, two Soft-Input Soft-Output detectors are considered: List Sphere Decoding and a low complexity linear filtering (Linear Minimum-Mean-Square-Error-Interference-Canceller (MMSE-IC)). Extrinsic Information Transfer (EXIT) charts are developed. This analysis is oriented to obtain possible performance-complexity trade-offs for a flexible hardware implementation. The last contribution is related to the proposal and design of an Application-Specific-Instruction set-Processor (ASIP) for SISO List Sphere Decoding. The proposed ASIP supports different MIMO system configurations (2x2, 3x3, 4x4) and modulation orders (QPSK, 16QAM, 64QAM) besides a flexible list size (from 1 to 64 elements). Synthesis results for a 130 nm technology are detailed

Dans cette thèse, nous avons abordé différents aspects de l’utilisation d’informations sur le milieu de propagation, dans un contexte MIMO, afin d’optimiser l’émetteur et le(s) récepteur(s). En effet, la situation idéale dans laquelle le canal serait connu parfaitement et instantanément de l’émetteur, et les stratégies mises en oeuvre définies de façon immédiate, est une hypothèse extrêmement forte qui conduit à la recherche de méthodes utilisant des éléments dont l’évaluation serait plus simple et/ou plus robuste, et sur des durées abordables. Nous avons ici précisément cherché à décrire ou à donner des stratégies utilisant différents a priori du canal. Tout d’abord, nous avons établi une stratégie permettant d’atteindre la capacité de canaux de type Rice corrélés et séparables (chapitre 1). Pour cela, nous avons établi préalablement une expression déterministe de l’information mutuelle de tels canaux, prenant en compte certaines statistiques du milieu, puis nous l’avons maximisée par rapport à la covariance des entrées. C’est donc une stratégie d’émission. Cela a également été l’occasion d’utiliser certains outils mathématiques de la théorie des grandes matrices aléatoires, qui donne ici une belle démonstration de ses possibilités, en répondant à un problème d’une grande complexité théorique. Ensuite, nous avons évalué l’impact d’une implantation pratique de certaines stratégies pratiques d’émission dans le cadre de systèmes broadcast, afin tout d’abord de dégager certains critères de choix de codeurs par rapport à une utilisation in situ, puis pour déterminer si l’utilisation de telles stratégies à l’émetteur était suffisamment robuste aux erreurs d’estimation, ou s’il n’était pas plus pertinent d’utiliser le TDMA (chapitre 2). La stratégie broadcast, souvent considérée comme très sensible au canal et à ses erreurs, se révèle relativement robuste et efficace pour une implantation réaliste, voire même plus que la solution TDMA, même si cette dernière solution ne nécessite qu’une information minime sur le canal (le SINR de chaque récepteur). Enfin, on a également étudié pour le cas pratique de l’interférence canal adjacent, dont on a démontré l’influence notable pour l’UMTS, comment certains paramètres du canal pouvaient aider à la décision d’une stratégie de réception pertinente (chapitre 3). La simple donnée de la distance entre le mobile et la station de base interférente permet de choisir entre différentes solutions en réception pour mieux combattre l’ACI, dont quelques unes que nous avons proposées. Cette décision peut d’ailleurs être prise par l’émetteur si celui-ci possède la donnée de cette distance. Nous voyons ici comment une information simple sur le canal peut être utilisée par un récepteur pour gérer l’évolution du canal et la qualité de son lien. Il est intéressant de privilégier les stratégies d’émission en ce sens que les moyens disponibles à la station de base étant souvent plus élevés, on peut en rapportant à l’émetteur un certain nombre de traitements - et donc une certaine complexité - solliciter moins le récepteur en calculs. Ce dernier peut consacrer alors plus de ressources à d’autres tâches, ou tout simplement augmenter son autonomie, qui est rappelons-le une des principales limitations des récepteurs envisagés les systèmes de nouvelles générations. Les solutions développées dans nos travaux vont donc en ce sens, et contribuent à montrer que, même pour des approches et des problématiques assez dissemblables, l’exploitation d’informations partielles sur le canal est une solution qui permet d’espérer de façon générale une amélioration significative des performances des systèmes MIMO

Les systèmes multi-antennaires (MIMO multiple- input multiple-output) suscitent un grand intérêt aurprès des concepteurs des futurs systèmes sans fil. En effet, ces systèmes ont été développés afin d'augmenter le débit théorique et/ou la robustesse des chaînes classiques mono-antenne en tirant parti de la diversité spatiale. Le cadre de cette thèse se situe autour des systèmes MIMO pré-égalisés ayant la connaissance du canal au niveau de l'émetteur par un retour d'information. Nous avons exprimé littéralement les probabilités d'erreur binaire (PEB) moyennes dans un canal de Rayleigh non-corrélé pour les systèmes pré-égalisés WF (WF maximisation de la capacité), EQMM (minimisation de l'erreur quadratique moyenne), qdS (qualité de service entre les voies de données), EE (erreur égale entre les voies) et max-SNR (maximisation du rapport signal sur bruit en réception). Les courbes de PEB ainsi obtenues, nous ont permis de dégager des caractéristiques importantes influant sur l'amélioration des performances : le nombre total d'antennes, la répartition des antennes entre l'émetteur et le récepteur, le choix du précodeur avec ses paramètres. Une collaboration avec le laboratoire SIC de Poitiers nous a donné la possibilité de mener une étude statistique sur des canaux "réalistes" fournis par leur simulateur de propagation 3D. Ainsi, nous avons pu tester la robustesse des précodeurs pour une configuration indoor dans la bande de fréquence de l'HIPERLAN/2 et comparer les résultats au canal de Rayleigh
The MIMO (multiple-input multiple-output) systems are a great interest for the next generation of wireless systems. Indeed, these systems have been developed to increase the theoretical capacity and/or robustness of the traditional systems (mono-antenna) by using space diversity. The framework of this thesis focused around pre-equalized MIMO systems having the channel state information at the transmitter side by information feedback. We expresssed literally the average bit error probabilities (BEP) in the decorrelated Rayleigh channel case for pre-equalized systems WF (WF : capacity maximization), MMSE (minimization of the mean square error), QoS(quality of service between channels), EE (equal error between channels) and max-SNR ( maximization of the signal-to-noise ratio at the receiver side). The resulting BEP curves highlighted that performance improvement is influenced by the total number of antennas, the distribution of the antennas between the transmitter and the receiver, the choice of the parameters of the precoder to be used. A collaboration with the SIC laboratory of Poitiers (France) enabled us of study statistically "realistic" channels produced by their 3-D propagation simulator. We, thus, tested the robustness of the precoders for different indoor configurations in the HIPERLAN/2 frequency band and compared results to those of the Rayleigh case

Les systèmes multi-antennaires (Multiple-Input Multiple-Ouput) dans le domaine des communications numériques permettent d'améliorer la transmission des données selon deux paramètres antagonistes : le débit d'information et la fiabilité de transmission (Probabilité d'Erreurs Binaire moyenne). Avec de tels systèmes, la connaissance du canal à l'émission (Channel State Information) est un point-clé pour diminuer la PEB grâce à différentes stratégies d'allocations de puissance. Ainsi, un précodeur linéaire à l'émission associé à un décodeur linéaire à la réception optimisent un critère pertinent grâce à cette information. Il en résulte une famille importante de précodeurs dénommée "précodeurs diagonaux" : le système MIMO est équivalent à des sous-canaux indépendants. Les critères optimisés sont par exemple la minimisation de l'erreur quadratique moyenne ou la maximisation de la capacité. L'équipe TST a récemment élaboré un nouveau précodeur non diagonal maximisant la distance minimale entre les symboles reçus (max-dmin). L'enjeu de cette thèse est d'estimer les performances en terme de PEB de ce nouveau précodeur et de les i comparer avec les méthodes existantes (code d'Alamouti et précodeurs diagonaux). Nous avons démontré l'ordre de diversité maximal du max-drain puis déterminé une bonne approximation de sa PEB. Le précodeur max-dmin est ensuite associé à de la diversité de polarisation permettant de réduire le coût et l'occupation spatiale d'un système MIMO. Malgré l'introduction de corrélation, les performances du max-dmin sont intéressantes. Nous avons ensuite proposé une extension du précodeur max-dmin permettant de supprimer la limitation à deux sous-canaux
In wireless communications, the Multiple-Input Multiple-Ouput (MIMO) systems constitute an efficient way to significantly enhance data transmission according to two main, though antagonistic, parameters: the spectral efficiency and reliability assessed from the average binary error probability (BEP). With such systems the knowledge of the channel state information (CSI) at the transmitter side is paramount to lower reduce the BEP through différent stratégies of power allocation. Indeed, once the CSI has been fully (or perfectly) known, a linear precoder at the transmit side and a linear decoder at the receive side can be designed for subséquent association by optimizing one among the following criteria: minimum mean square error (MMSE) or the capacity. Their respective optimisations have led to a family of diagonal precoders: the MIMO system is équivalent to indépendant SISO subchannels. Recently, a new no-diagonal precoder designed within our laboratory optimizes the minimal Euclidean distance between receive symbols. This thesis work was aimed at estimating the BEP of this precoder for comparison with other methods (Alamouti's code and diagonal precoders). We demonstrated the maximal diversity order of the max¬dmin, and then gave a tight BEP approximation. Moreover, the spatial dimensions and the final cost of a MIMO device were reduced by associating of the precoder max-dmin with polarity diversity. Despite the corrélation induced by this system, the max-dmin performances are still worth being considered. We also proposed an extension of the max-dmin to more than two sub-channels in order to exploit larger MIMO systems

Pour répondre aux demandes de haut débit exigées par les communications mobiles de dernières générations, une solution consiste à augmenter le nombre d'antennes à l'émission et à la réception de la liaison sans fil. On parle alors de technique MIMO (Multiple Input, Multiple Output). De même, pour réduire les évanouissements des signaux provoqués par l'environnement de propagation multi-trajets, la technique de diversité qui consiste à placer une antenne à l'émission et plusieurs antennes à la réception peut être utilisée. Cependant, l'intégration de plusieurs antennes sur le plan de masse d'un même téléphone portable est un challenge délicat. En effet, à cause du volume restreint de l'appareil, une forte isolation entre antennes doit être atteinte afin de maximiser le gain de diversité et/ou d'accroître la capacité de transmission du système global. Le travail de cette thèse a consisté à montrer qu'il était possible à l'aide d'un effet de neutralisation, d'intégrer deux résonateurs quart d'onde étroitement proches sur un PCB, tout en les maintenant fortement isolés du point de vue électromagnétique et présenter ainsi des efficacités totales très satisfaisantes. Ces résultats étaient cependant obtenus pour deux antennes PIFAs n'opérant pas dans la même bande de fréquence (DCS et UMTS). Ce travail a ensuite été étendu avec la mise en œuvre de la technique de neutralisation pour des systèmes multi-antennes opérant dans la même bande de fréquence UMTS. Plusieurs structures sont réalisées. Leurs performances en diversité et en MIMO sont mesurées dans une chambre réverbérante à Göteborg et dans un environnement réel à Helsinki
The high data rates required in modern communication can be achieved by multiplying the radiating element involved in the broadcast and in the reception of the wireless link. This solution is called MIMO (Multiple Input and Multiple Output). Also, to reduce the deep fading caused by the multi-path propagating environment, the diversity technique which consists to place one antenna in the broadcast and several antennas in the reception can be used. However, the integration of several efficient antennas on the printed circuit board (PCB) of a mobile phone is a new challenge for antenna researchers. The main goal remains to keep a high isolation between these radiators, otherwise, the diversity gain and the channel capacity of the system can drastically be reduced. The aim of this thesis is to demonstrate the possibility to integrate two closely spaced quarter-wavelength resonators on a small PCB, with high isolation and high total efficiencies when using a neutralization effect between the radiators. However, these two Planar Inverted-F Antennas (PIFAS) were not operating in the same frequency band (DCS and UMTS). This work has been further extended with the successful implementation of this technique to a multi-antennas system operating in the same UMTS band. Several multi-antenna handsets have been designed. Their performance in diversity and MIMO are measured in a reverberation chamber to Göteborg, and in a indoor and outdoor environments to Helsinki

La demande sans cesse croissante pour des services sans fil de plus en plus gourmandes en ressources et l'évolution de l'état du marché des communications sans fil, obligent les futurs systèmes (4G) à obéir à des contraintes d'efficacités spectrales plus importantes et à fournir une meilleure qualité de service, particulièrement pour les utilisateurs se trouvant en bordure de cellules. Afin de répondre à ces objectifs, les nouveaux systèmes de communication devront incorporer des technologies qui leur permettent d'augmenter l'efficacité spectrale dans la cellule. Une des techniques des plus prometteuses permettant d'atteindre ces objectifs est le MIMO Coopératif dans les Réseaux Multi-cellulaires (Multicell-MIMO en anglais) qui est capable de diminuer l'interférence intercellulaire et d'augmenter le débit. Cette technique nécessite qu'un certain nombre de stations de base (BSs) se regroupent et traitent les signaux conjointement. Cependant, le Multicell-MIMO coopératif nécessite l'introduction de charges supplémentaires non négligeables sur le réseau afin de permettre le bon fonctionnement de cette technologie. Le but de cette thèse est d'étudier ces charges afin de trouver les mécanismes de les réduire avec des pertes acceptables de performances. Dans un premier temps, partant du fait que les charges introduites sur le réseau par le Multicell-MIMO coopératif sont proportionnelles au nombre de BSs qui coopèrent, nous sommes concentrés sur le regroupement d'un faible nombre d'entre eux. Nous proposons pour cela une coopération entre les BSs qui génèrent beaucoup d'interférences l'une pour l'autre, au lieu de considérer une coopération entre les stations de bases qui sont géographiquement proches l'une de l'autre. Cette approche nous a permis d'apporter des gains significatifs au niveau de l'efficacité spectrale. Par ailleurs, la conception centralisée classique pour le MIMO coopératif nécessite que les BSs appartenant à un même groupe soient interconnectées par une unité de contrôle centrale, leur permettant l'échange d'informations entre autres sur l'état du canal (CSI: Channel State Information en anglais). Cette architecture rend difficile le déploiement de cette technologie dans les réseaux de communications mobiles vu qu'elle nécessite des investissements supplémentaires pour le rajout de l'infrastructure additionnelle. Dans cette thèse, on propose une nouvelle approche mettant en œuvre une architecture décentralisée. Ceci nous assure la simplicité d'intégration du principe de la coopération Multi-cellulaire dans les systèmes cellulaires conventionnels à travers de minimes changements sur leur architecture. En outre, dans les systèmes de communication FDD (Frequency Division Duplexing en anglais) la connaissance du canal de transmission est cruciale afin d'assurer une bonne communication sur le lien descendant. Pour cela, les différents utilisateurs doivent réaliser une estimation du canal et la renvoyer sur une voie de retour. Nous proposons dans cette thèse une approche permettant de diminuer le trafic généré par le processus de retour du CSI en ne sélectionnant que les coefficients du canal ayant un gain supérieur à un niveau préfixé. On montre que la réduction de cette charge sur la voie de retour peut être combinée avec la réduction de la charge sur le backhaul (échange des donnés entre les BSs qui coopèrent). Une autre technique prometteuse, qui permet d'améliorer l'efficacité spectrale, est l'utilisation des relais. Les relais dynamiques (utilisateurs qui relaient des signaux destinés aux autres utilisateurs) sont plus rentables que les relais statiques, car ils n'exigent pas de déploiement de nouvelle infrastructure coûteuse. Cependant, leur utilisation ajoute des charges supplémentaires et des complexités importantes. Dans cette thèse l'efficacité des relais dynamiques est évaluée dans des environnements différents. De plus quelques techniques originales qui exploitent les relais dynamiques tout en exigeant des charges générales minimales sont présentées
The constantly increasing demand for wireless services, the scarcity of radio spectrum and the characteristics of the global wireless market, necessitate that future wireless systems (Fourth Generation Mobile - 4G) provide higher peak data rates and better QoS, especially for the cell-edge users. Furthermore it is essential that they achieve high spectral efficiencies and they are easily deployed. In order to be able to accomplish these objectives, wireless systems need to incorporate technologies that increase the cell throughput without increasing spectral consumption. A very promising technique that can achieve the aforementioned targets is Multicell Cooperative Processing (MCP) or Multicell-MIMO. MCP has the potential to mitigate Inter-Cell Interference (ICI) and augment data rates without sacrificing additional spectrum but at the cost of some overhead and complexity. According to the concept of clustered MCP proposed in this thesis, Base Stations (BSs) are grouped into cooperation clusters, each of which contains a subset of the network BSs. The BSs of each cluster exchange information and jointly process signals as they form virtual antenna arrays distributed in space. In these systems, each user receives useful signals from several BSs and therefore the notion of a cell transcends the one of the conventional cellular systems. Although Multicell-MIMO is a technique that can help meet a lot of the challenges towards 4G systems, it has some intrinsic drawbacks that need to be addressed in order for it to be brought into practice; this is the main focus of the present thesis. Firstly the problem of how to optimally form BS cooperation clusters of limited size has been investigated. MCP's overheads are proportional to the size of cooperation clusters, therefore this size should be kept limited. The straightforward solution of forcing neighboring BSs to collaborate provides limited gains. In this thesis it is proposed that the BSs which interfere the most with each other should cooperate rather the ones that are in close proximity. This is shown to lead to significant spectral efficiency gains while cluster sizes are kept very small. The typical centralized architectural conception for MCP entails that the BSs of each cooperation cluster should be inter-connected through a control unit and exchange Channel State Information (CSI). This conception impedes the deployment of MCP systems as it implies additional infrastructural costs. In this thesis a new decentralized framework has been proposed that allows the incorporation of MCP by the conventional cellular systems with very few changes upon their architecture. Mobile Stations (MSs) feed back their CSI not only to one BS as in current systems, but they broadcast this information to all collaborating BSs, and the resulting inter-BS CSI information exchange requirement is minimal. In the downlink, a major overhead of MCP that needs to be mitigated is the one of CSI over-the-air feedback (i. E. Mobile to base). Furthermore the collaborating BSs need to exchange the user data to be transmitted through the backhaul (backhaul overhead). For downlink communication under Frequency Division Duplexing (FDD), each user needs to estimate and feed back to the system infrastructure (one or more BSs) a number of channel coefficients, equal at least to the number of collaborating antennas at each subcarrier in Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). This feedback load renders the deployment of MCP prohibitive in large scale deployments. In this thesis we suggest the use of a selective feedback approach. In this setup only the significant coefficients are fed back by the users; the ones whose channel gain exceeds a threshold. This approach can be also exploited in reducing backhaul overhead through scheduling or precoding design. It is shown that this is a good tradeoff between performance and overheads that can facilitate the incorporation of MCP by future systems. Another promising technique that can increase spectral efficiency of wireless systems is cooperative relaying. In this thesis the utilization of dynamic relays (user terminals relay signals) in cellular systems is investigated. Dynamic relays are more cost effective than static ones, as they bring the gains of relaying without the need for costly new infrastructure. However their utilization entails very high overheads and complexities (CSI feedback requirements, relay selection process). In the present dissertation the performance of dynamic relays in different cellular environments is assessed from a system level point of view and some novel techniques that exploit dynamic relays while requiring minimal overhead are presented. The overheads of relaying are proportional to the number of considered relay candidates (relay selection process). It is suggested that for a specific transmission only a small but suitable set of relay nodes are considered as relaying candidates. This is an efficient method to benefit from dynamic relays while circumventing their drawbacks

Les systèmes de communication multi-antennaires à l'émission et à la réception (MIMO) sans fil ont le potentiel d'offrir hauts débits et fiabilité. La faisabilité de cette technologie dans des systèmes de communication mobiles dépend de la capacité à offrir des débits élevés avec une quantité réduite de connaissance du canal a l'émetteur (CSIT), car la disponibilité des ressources sur la voie de retour est limitée. Cette thèse traite du problème de l'optimisation des systèmes MIMO avec CSIT partielle. D'une part, nous fournissons des méthodes pour obtenir CSIT. D'autre part, nous proposons des techniques pour exploiter les sources de CSIT afin d'optimiser la performance. Dans la première partie, systèmes MIMO mono-utilisateur sont considérés dans le but de minimiser le taux d'erreur. Techniques de précodage linéaire sont proposées pour améliorer les systèmes MIMO avec codage spatio temporel (STC), en combinant des informations sur la moyenne et la covariance du canal. Dans la deuxième partie, nous nous concentrons sur la maximisation de la somme totale des débits sur la voie descendante des systèmes MIMO multi-utilisateur, avec débit limité sur la voie de retour. Nous proposons des algorithmes inter-couche pour les systèmes avec précodage linéaire et sélection d'utilisateurs, optimisant les parties suivantes: techniques de précodage linéaire, algorithmes de sélection d'utilisateurs, informations à transmettre sur la voie de retour et stratégies de quantification. Au lieu de concevoir des systèmes complexes de feedback, nous montrons que la performance peut être améliorée en utilisant précodage linéaire optimisé et stratégies simples de quantification du canal
Multiple-input multiple-output (MIMO) wireless communication systems have the potential to offer high data rates as well as link reliability. The feasibility of these systems in future mobile communication standards depends on the ability to provide high rates with a reduced amount of channel state information at the transmitter (CSIT), due to limited resource availability on the feedback link. This thesis addresses the problem of optimizing MIMO systems with partial CSIT. On the one hand, we provide methods for obtaining CSIT. On the other hand, we propose techniques to exploit the available sources of CSIT to optimize the system performance. In the first part, point-to-point MIMO channels are considered for the purpose of error rate minimization. Linear precoding techniques are proposed to enhance the performance of space-time coded (STC) MIMO systems, by appropriately combining information on the channel mean and covariance. In the second part of this thesis, we focus on sum-rate performance optimization in MIMO broadcast channels with limited feedback. Low-complexity cross-layer approaches are proposed for systems with joint linear beamforming and multiuser scheduling, optimizing the following parts in the MIMO communications system: linear beamforming techniques, scheduling algorithms, feedback strategies and feedback quantization techniques. A design framework for channel quality information (CQI) feedback design is proposed, based on an estimate on each user's signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR). As we show, the system performance can be enhanced by using simple channel quantization strategies combined with optimized linear beamforming techniques

Dans le cadre de ce travail de recherche, nous nous somme intéressés à un système de télécommunication MIMO (Multiple Input Multiple Output) à multiplexage spatial utilisant des récepteurs Zero-IF et la technique de formation numérique de faisceaux (FF). Le domaine d'application de ces travaux de recherches peuvent être aussi bien les applications fixes (exp: WiFi, IEEE) que les applications mobiles (exp: LTE, 3GPP). La première partie de ce travail est consacrée à une étude comparative entre les différents types de démodulateurs cinq-port et triphasés. Cette étude a permis de mettre en évidence l'aspect tridimensionnel des démodulateurs cinq-port et triphasés, de gagner 20dB en termes de réjection des produits d'intermodulation des signaux adjacents et de trouver une nouvelle méthode de calibrage aveugle du récepteur. La seconde partie de la thèse se concentre sur le prototypage d'un système MIMO. Cette phase nous a permis d’exposer les difficultés de mise en place de ce genre de système et de souligner les nouvelles problématiques qui n’apparaissait pas auparavant dans les systèmes mono- transcepteur. Aussi, un algorithme de Formation de Faisceau a été développé dans cette partie. Ce FF numérique a permis non seulement d'accroître la capacité mais aussi la qualité de liaison en considérant le système MIMO comme N système SIMO en parallèle. Comparativement à la technique ZF(Zero Forcing), nous démontrons que le FF permet d'obtenir une meilleure qualité de signaux pour des faibles valeurs de rapport signal à bruit
Within the framework of this research work, we have interested to a MIMO (Multiple Input Multiple Output) telecommunication system using the spatial multiplexing, Zero-IF receptors and the digital beamforming technique. The first part in this work is consecrated to a comparative study between two different kinds of Zero-IF demodulators: the classical IQ demodulator and the five-port and three-phase one. This study has allowed to highlight the three dimensional aspect of five-port and three-phase demodulators, to win up to 20dB in terms of rejection of inter-modulation product. Also this three dimensional aspect discovery help us to find a new blind calibration method. The second part of this thesis focuses on the prototyping of a MIMO system. This phase has allowed us to set the difficulties of the implementation of this systems kind and to highlight new problematics that don’t appear beforehand in mono-transceiver system. Moreover, a beamforming algorithm was developed in this part. This digital beamfoming has permit to increase the capacity as well as the quality of link when considering the MIMO system as N parallel SIMO systems. Compared to the ZF (Zero Forcing technique), we have proved that the beamforming permit the achievement a better signal quality for lower values of the signal to noise ratio

Dans cette thèse, nous étudions les systèmes multi-utilisateurs (MU), où l'émetteur dispose M antennes et sert K utilisateurs mono-antenne, appelés MU-MISO. Basé sur des informations de l'état de canal à l'émetteur, les signaux sont précodés de façon à réduire l’interférence entre utilisateurs. Plus précisément, nous considérons un précodage linéaire optimal (la maximisation de la somme pondérée des débits), précodage par filtre adapté, précodage de forçage à zéro (ZF), un précodage ZF régularisé et un modèle pratique appelé CUBF, où la matrice de précodage est unitaire avec des entrées de module constant. Pour évaluer le comportement du système, nous supposons que M et K est grand alors que leur rapport reste borné. Nous développons un cadre général et consistent pour l'étude des techniques de précodage linéaire dans les grands systèmes MU-MISO, pour une large gamme d'environnements de canal de propagation et en supposant une connaissance imparfaite du canal à l'émetteur. Nous fournissons les outils nécessaires à partir de la théorie des matrices aléatoires à grandes dimensions pour obtenir des équivalents déterministes du rapport signal sur interférence plus bruit (SINR) aléatoire. Ces approximations du SINR peuvent être appliquées pour résoudre une variété de problèmes pratiques d'optimisation dont plusieurs sont présentés dans ce travail. Les résultats des simulations montrent que ce sont des solutions proches de l’optimal même pour les systèmes de petite taille. Notre cadre constitue la base pour l'étude des systèmes plus complexes tels que MU-MIMO et multi-cellules MU-MIMO et pour explorer de nouvelles voies pour l’analyse des systèmes avec feedback limité
In this thesis, we study multi-user (MU) systems where a transmitter equipped with M antennas serves K single-antenna users, called MU-MISO. Based on the available channel state information at the transmitter (CSIT), the signals are precoded to mitigate the inter-user interference. More precisely, we consider optimal (maximizing the weighted sum rate) linear precoding, matched-filter precoding, zero-forcing (ZF) precoding, regularized ZF precoding and a practical scheme coined CUBF, where the precoding matrix is unitary with constant modulus entries. To gain insight into the system behavior, necessary to solve important problems such as the optimal amount of feedback, we assume that M and K are large while their ratio remains bounded. We develop a general and consistent framework for the study of linear precoding techniques in large MU-MISO systems under a wide range of channel propagation environments and imperfect CSIT. We provide the necessary tools from large dimensional random matrix theory to derive deterministic equivalents of the random signal-to-interference plus noise ratio (SINR), i. E. , SINR approximations independent of the channel realizations that are almost surely exact as M and K go to infinity. These SINR approximations can be applied to solve a variety of practical optimization problems of which several are presented in this work. Simulation results show that these solutions are close-to-optimal even for small system dimensions. Our framework forms the basis for the study of more complex systems like MU-MIMO and multi-cell MU-MIMO and opens up new ways to analyze limited feedback systems

L´ utilisation des antennes multiples en émission et en réception, système MIMO, dans les applicationssans fils permet d´ augmenter les débits de transmission. La connaissance du canal au niveau du récepteur est importante pour exploiter les performances des systèmes MIMO. Premièremment, dans cette thèse, on s´ intéresse aux performances des systèmes MIMO en considérant la borne de Cramer-Rao (BCR) comme étant une mesure de performance. Un calcul de la BCR pour différent schémas de conception des séquences d'apprentissage et différentes hypothèses sur la distribution des symboles émis est effectué. La comparison des BCR nous permet ainsi de proposer le meilleur schéma de conception des symboles pilote et la méthode d´estimation appropriée. Deuxièmement, une étude des méthodes d´ estimation des canaux MIMO est élaborée en portant un intérêt spécial au cas où les symboles pilotes sont émis simultanément avec les symboles data (EMB). D´ abord, on propose une méthode d´ estimation avec séquence d´ apprentissage qu’on compare aux méthodes existantes. Une méthode d´ estimation semi-aveugle basée sur le principe du maximum de vraisemblance est suggérée et comparée à l´ estimation aveugle basée sur le même principe. Après, notre intérêt est porté aux techniques d´ estimation itératives. Cette étude est faite spécialement pour le schéma des pilotes EMB. Dans la dernière partie, notre but consistait à trouver la design des symboles pilotes approprié de point de vue capacité ergodique et capacité de outage. Ainsi, on établit une borne inférieure a l´ information mutuelle et une à la capacité ergodique qui dépend de la BCR
The use of multiple transmit antennae and multiple receive antennae (MIMO) in wireless systems may offer huge increase of data transmission rate. The channel knowledge availability at the receiver side has an important impact on the MIMO system performance. First, in this thesis, we are interested in the MIMO channel estimation performance by considering the Cramer-Rao bound (CRB) as a performance measure. We calculate different CRBs for different schemes of training sequence design and different assumptions on the source signal distributions. We compare them and propose the appropriate design scheme and channel estimation method. Second, we propose estimation methods for MIMO systems and focus on a special pilot symbol design which is the embedded scheme (EMB). We suggest a training sequence based method which we compare to the existing ones. We also propose a semi-blind maximum likelihood MIMO channel estimation technique based on the use of the EMB scheme and we show that it outperforms the blind one with a large performance gain. The ML method being computationally expensive, we propose an alternative solution using iterative channel estimation and data detection for coded and uncoded MIMO channel. Precisely, we investigate the performance of these iterative methods for the EMB scheme. Finally, our aim is to find the appropriate pilot design scheme regarding both ergodic and outage capacity. So, we derive a lower bound on the mutual information which depends on the CRB. Then, we obtain a lower bound on the ergodic capacity which depends on the eigenvalues of the CRB. Also, we deduce a lower bound on the outage capacity

La recherche sur la technologie MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) s’est focalisée, dans un premier temps, sur l’aspect théorique du problème dans le domaine des communications numériques. De nombreux travaux ont notamment porté sur l’établissement des performances théoriques de tels systèmes et sur la proposition d’ensembles émetteur/récepteur permettant de tirer bénéfice de l’utilisation de plusieurs antennes. Les premières plate-formes matérielles d’évaluation ont par ailleurs permis de démontrer la faisabilité et l’intérêt du système multi-antennes. Cependant, l’exploitation de la diversité du canal MIMO implique l’utilisation de récepteurs performants. Afin de s’approcher des performances optimales, le principe Turbo initialement proposé dans le contexte des codes correcteurs d’erreurs a été étendu aux transmissions MIMO. Ainsi, cette thèse traite de la faisabilité matérielle d’un récepteur MIMO itératif décomposé en deux fonctions principales : une détection MIMO basée sur le critère du minimum d’erreur quadratique moyenne avec annulation d’interférences (MMSE-IC) et un décodage de canal. Le principe Turbo, consiste en un échange d’information souple entre ces deux fonctions au cours d’un processus itératif par l’intermédiaire d’un entrelaceur et d’un désentrelaceur. De plus, l’étude est menée sur une technique de transmission particulière qui exploite un précodage linéaire en tant que code espace-temps à l’émission. Après une description théorique du récepteur MIMO itératif traitant les techniques, les algorithmes, les paramètres et les performances correspondantes, nous avons abordé une étape intermédiaire avant la définition et la conception de solutions architecturales pour le récepteur itératif. Cette étape comprend, d’une part, la proposition de modifications algorithmiques réduisant la complexité tout en limitant les dégradations au niveau des performances et, d’autre part, le développement d’une version algorithmique du récepteur itératif en virgule fixe. Afin de définir et de concevoir des architectures pertinentes pour le récepteur itératif, des solutions architecturales pour les deux blocs principaux constituant le récepteur itératif, à savoir le détecteur souple et le décodeur souple ont été explorées. Le détecteur MIMO repose sur l’algorithme MMSE-IC qui utilise des opérations matricielles de nombres complexes et une inversion matricielle. Après avoir présenté un état de l’art des architectures de détection MIMO, les opérateurs arithmétiques de nombres complexes sont investigués ainsi que les architectures d’inversion matricielle afin de définir des opérateurs matriciels efficaces qui serviront de blocs de base pour les différents modules du détecteur souple. En ce qui concerne le décodeur, les différentes solutions architecturales pour le décodage s’appuyant sur un traitement en sous-blocs ont été explorées afin de choisir celle offrant le meilleur compromis performance/complexité. Une fois les architectures du détecteur et du décodeur définies, une architecture globale du récepteur itératif a été proposée. Elle a nécessité la définition d’entrelaceurs réalistes. Enfin, l’architecture proposée pour le récepteur MIMO itératif a été intégrée sur un circuit programmable (FPGA). En pratique une chaîne de transmission MIMO complète comprenant l’émetteur, un émulateur de canal MIMO et le récepteur itératif a été implantée sur une carte de prototypage. Le prototype démontre la faisabilité matérielle du récepteur MIMO en termes de performances, de complexité et de débit.

L'objectif de cette thèse est d'exploiter les propriétés des signaux de télécommunication utilisés dans le système MIMO radar pour améliorer les performances en termes de localisation. En se basant sur la conguration radar MIMO bistatique cohérent, qui apparaît comme une conguration d'un excellent compromis entre la complexité, les gains liés à la cohérence et les gains liés à la diversité spatiale, et sur les méthodes de localisation à haute résolution, nous avons proposé quelques approches de localisation conjointe des directions d'arrivée et des directions de départ. Ces approches décomposent la recherche bidimensionnelle des directions en double recherche unidimensionnelle, ce qui a réduit de manière signicative la complexité de calcul. Nous avons aussi proposé l'extension de ces approches en exploitent la non-circularité des signaux radar an d'améliorer les performances en termes d'estimation conjointe des directions d'arrivée et des directions de départ et en terme du nombre de cibles localisables. Par ailleurs, nous avons proposé des approches, qui exploitent la diversité de polarisation en réception dans le radar MIMO bistatique cohérent, dans le but toujours d'améliorer l'estimation conjointe des directions
The main objective of this thesis is to exploit the properties of the signals used in MIMO radar systems to improve the localisation performances. The cohérent bistatic MIMO radar conguration present a good trade-o between the complexity, the diversity gains and the coherence gains. For this conguration, several new approaches based on the hight resolution techniques, which decompose the two dimensional joint estimation in double one dimensional estimation, have been proposed. By exploitation of the non-circularity property of radar signals, approaches have been developed to improve the performances and to handle more targets than the classical proposed approaches. In same sens, we have proposed some approaches which exploit the polarization diversity in the receiver array antennas in bistatic MIMO radar

L'essor considérable des télécommunications, à travers la conception et le déploiement de réseaux sans-fil de plus en plus performants en termes de capacité d'abonnés et de débit de transmission, témoigne d'un véritable besoin de nos sociétés actuelles. Ainsi, les systèmes envisagés pour répondre à ces attentes doivent fonctionner dans des environnements de plus en plus complexes (milieux urbains denses et/ou intérieurs). Néanmoins, ces types d'environnements présentent la contrainte d'engendrer une propagation des ondes par trajets multiples. Ce phénomène provoque, lors d' une transmission numérique, des risques d'interférences inter-symboles, de chute brutale du niveau de réception, etc. . . Pour y remédier, un concept tirant profit de la diversité spatiale et considérant plusieurs antennes à l'émission et à la réception (MIMO : ”Multiple Input Multiple Output”) a été développé. Celui-ci permet, dans le contexte des réseaux de communication personnels et métropolitains, de répondre aux attentes des abonnés quant à la rapidité et à la qualité des communications numériques. Le canal de transmission en devient ainsi un élément central et l'analyse de ses propriétés représente un enjeu important et un sujet de recherche actif. Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre d'une étroite collaboration entre le Département SIC-XLIM de l'Université de Poitiers et le Département Micro-Ondes de Télécom Bretagne (Brest). Son objectif est double et concerne - d'une part, l'influence de la modéisation de l’environnement sur la caractérisation du canal MIMO par l'intermédiaire d'un simulateur de propagation à tracé de rayons. Plus précisément, ce travail se concentre sur l'aspect géométrique de la modélisation et dans une moindre mesure sur l'influence des propriétés électriques des matériaux; - d'autre part, la question du couplage entre antennes, provoqué par la proximité de celles-ci. La modélisation de ces dernières, issue de précédents travaux menés aux Département Micro-ondes, est tout d’abord rappelée. Elle est ensuite appliquée aux résultats de simulation par une approche rayon. Enfin, la modéisation du couplage entre antennes est reprise pour intégrer pleinement les propriétés de polarisation des antennes. Cette étude est étendue au contexte Ultra Large Bande (ULB) pour lequel de très grands débits de transmission sont considérés. Cette ultime étape permet d'évaluer les bénéfices et les limitations de la modélisation antennaire développée pour finalement dégager les perspectives possible de ce travail de thèse
The significant development of telecommunication, due to the conception and the deployment of wireless networks always more efficient in term of subscribers’capacity and transmission bit rate, shows a real need of our current society. Thus, the systems planed in order to conform to the new requirements have to work in environments more and more complex (indoor and/or dense urban environments). Nevertheless, these kind of environments present the constraint to generate a wave propagation through a multi-path mecanism. This phenomenon induce, during a numerical transmission, some risks about inter-symbols interferences, a great loose of power reception, etc. . . In order to overcome this drawback, a concept wich exploits the spatial diversity of the radio channel and using both antennae at transmitter and receivers’side (ie. MIMO : ”Multiple Input Multiple Output”) was developed. This last one allows, in a context of personal and metropolitan networks, to conform to the demands of subscribers in term of speed and quality of numerical communication. As a consequence, the transmission channel become the central element and the analysis of these properties is an important stake and an active research subject. This thesis is part of a collaboration between the Department of SIC-XLIM of the University of Poitiers and the Department of Micro-waves of Telecom Bretagne (Brest). His aim is double and concern – in one hand, the influence of environment modeling in MIMO channel caracterization by the intermediary of a propagation simulator using a 3D ray-tracing. More precisely, this work focus on the geometrical description and to a lesser extent on the influence of electrical properties of materials ; – in other hand, the matter of the coupling between antennae, produced by their nearness. The modeling of these last ones, coming from previous investigations made by the Micro-wave department, is firstly reminded. Secondly it is applied to results obtained by a ray approch. Finally, the modeling of mutual coupling beween antennae is improved in order to include fully the polarization properties of antennae. This study is extended to the Ultra Wide Band (UWB) context for which high bit rates is considered. This ultimate step allows to evaluate the beneficts and limitations of the antennae modeling developed in order to give some possible perspectives to this thesis work

Cette thèse traite du codage correcteur d'erreurs, du codage spatio-temporel ainsi que de l'utilisation conjointe de ces deux techniques dans un contexte à plusieurs antennes d'émission/réception ou contexte MIMO. L'objectif est de pouvoir améliorer le débit utile tout en conservant une bonne qualité de transmission. Dans un premier temps, les codes correcteurs d'erreurs algébriques binaires BCH et q-aires RS sont abordés. Le nouvel algorithme de la fenêtre d’encodage glissante est présenté et ses performances sont illustrées sur canal gaussien. Son impact sur le décodage et la vitesse de convergence des turbo codes en bloc est également mis en avant, de même que ses limites. Dans un second temps, les principales structures de codage MIMO sont décrites : les codes spatio-temporels en bloc orthogonaux (STBO) et les architectures en couche. Le modèle de canal retenu est celui du canal de Rayleigh sans mémoire invariant par bloc. L'utilisation des codes de RS en tant que codes spatio-temporels est également proposée et leurs performances par rapport à celles des codes STBO classiques sont exposées. Enfin dans un troisième temps, les codes spatio-temporels correcteurs d'erreurs sont introduits pour deux antennes d'émission. Ces codes utilisent les propriétés de linéarité des codes correcteurs d'erreurs afin de créer une corrélation spatio-temporelle exploitable en réception. Leurs performances sont comparées à celles de structures classiques combinant codage correcteur d'erreurs et codage STBO, laissant entrevoir le potentiel de la solution proposée. Exploitant la redondance, la notion de poinçonnage est également introduite afin d'augmenter l’efficacité spectrale.

Ce travail décrit la conception d’un système MIMO de transmission numérique à longue portée empruntant le canal ionosphérique. Exploitant la gamme HF (3-30 MHz) le démonstrateur propose une solution originale où la diversité des polarisations émises remplace la diversité spatiale classique, délicate à mettre en oeuvre pour des raisons d’encombrement dans un contexte de longueurs d’onde décamétriques. Dans une première phase, une modélisation de la propagation ionosphérique permet d’évaluer la capacité théorique de plusieurs architectures MIMO sous l’hypothèse de canaux déterministes sélectifs en fréquence. Une solution satisfaisante, réalisant un compromis entre augmentation du débit numérique et complexité, est identifiée : il s’agit d’une architecture MIMO2x2 où l’émission génère deux polarisations circulaires complémentaires. Une deuxième partie décrit le protocole choisi pour la transmission dans un contexte de forme d’onde monoporteuse et présente les simulations de l’ensemble des traitements en réception : synchronisation des blocs de données, estimation du canal, égalisation dans le domaine fréquentiel, décodage. La troisième partie du travail consiste à assembler et tester le démonstrateur au Laboratoire dans une version où les traitement en réception sont implantés en temps différé. Enfin, le système complet est mis en oeuvre sur des transmissions radio d’une portée d’environ 300 km. Ces expérimentations valident le concept de MIMO HF à diversité de polarisation en mettant en évidence un débit numérique atteignant 25. 6 kbits/s et restant compatible avec une bonne qualité de service. Cette valeur dépasse significativement les standards connus (4. 8 à 9. 6 kbits/s)
This work is dedicated to the design of a MIMO system for long range digital transmission through the ionospheric channel. Within the HF band (3-30 MHz), the system is based on an original solution for which the classical space diversity, uneasy to set up in a context of decametric wavelengths, is replaced with the diversity of the transmitted polarizations. In a first step, a modelisation of ionospheric propagation is carried out to compute the theoretical capacity of several MIMO architectures under the assumption of deterministic frequency selective channels. An acceptable solution, appearing as a balanced trade off between performances and complexity, is identified: it consists in a 2x2 MIMO architecture transmitting to complementary circular polarizations. In a second part, the data block format and the selected single carrier waveform are described. All modules of signal processing at the receiver are then tested: block detection, channel estimation, frequency domain equalisation, decoding. The third step consists in the set up of the global system and the realization of preliminary tests in the laboratory in an off-line mode version of the signal processing. Finally, the operational transmission system is tested on an approximately 300 km long radio link. This experiments validate the concept of diversely polarised HF MIMO as they underline a transfer rate reaching up to 25. 6 kbps with a good quality of service. This value significantly exceeds the common standards (4. 8 to 9. 6 kbps)

De nos jours, le nombre des utilisateurs mobiles est en train d’exploser et cela va de même pour la demande en débit. En effet, cette demande croissante ainsi que le nombre considérable d’appareils qui sont appelés à être connectés (plus de 29 milliards d’ici 2022 selon Ericsson) oblige à entièrement repenser les technologies de communication mobile. De nouveaux systèmes doivent être développés afin de proposer une solution aux nouveaux usages qui vont naître de cette évolution. Le MIMO massif est une nouvelle technologie caractéristique de la 5G. Au lieu de mettre en place une seule antenne réceptrice-émettrice, le MIMO massif combine plusieurs antennes à la fois afin de renforcer le signal et réduire les interférences. Un tel système est très souvent étudié pour des transmissions multi-utilisateurs grâce à son potentiel à focaliser l’énergie. Parmi les nombreuses technologies caractéristiques de la 5G, nous considérons comme un bon candidat un système fonctionnant à des longueurs d’onde millimétriques afin de satisfaire le besoin du débit élevé sur des petites zones cibles. Cependant, plusieurs difficultés de conception apparaissent à une telle échelle de fréquence. Particulièrement, l’utilisation d’un nombre élevé de chaînes RF en parallèle semble plus compliquée. Pour remédier à ce problème, des systèmes dits hybrides ont vu le jour et ils sont identifiés comme des solutions pertinentes afin de contourner ces difficultés. Malgré les avantages apportés par les systèmes MIMO massifs à ondes millimétriques, il est important de comprendre ces innovations d’un point de vue d’évolution de l’architecture des réseaux. De nos jours, l’architecture moderne des réseaux cellulaires devient de plus en plus hétérogène, pour de bonnes raisons. Dans ces réseaux hétérogènes, les stations de base sont souvent augmentées avec un grand nombre de petites cellules. Ces dernières consistent en de petites stations de base, utilisées pour améliorer la couverture dans des environnements denses et pour augmenter la capacité du réseau. Cependant, plusieurs problèmes techniques naissent du déploiement dense de ces petites cellules. Particulièrement, leur coexistence avec les réseaux traditionnels et les différents niveaux de puissance de transmission peuvent être la source de fortes interférences entre les cellules. Le travail de ce mémoire se concentre sur la gestion des interférences intercellulaires dans un réseau hétérogène à spectre partagé. Ces interférences sont dues principalement au fait que les utilisateurs sont forcés de s’associer aux petites cellules en présence de macrocellules avoisinantes. Par conséquent, nous proposons une nouvelle architecture d’un réseau hétérogène comprenant plusieurs petites cellules qui coexistent avec une macrocellule équipée d’un grand nombre d’antennes au niveau de la macro station de base (MBS). L’objectif est de concevoir un nouveau schéma de précodage hybride permettant d’annuler les interférences intercellulaires sur le lien descendant (DL). Nous proposons d’appliquer uniquement un contrôle de phase pour coupler les sorties de la chaîne RF aux antennes d’émission, en utilisant des déphaseurs RF économiques. Un précodage numérique est ensuite effectué à la station de base pour gérer les interférences intercellulaires et multi-utilisateurs en s’appuyant sur l’espace nul des canaux d’interférences. Enfin, des résultats de simulations démontrant l’efficacité spectrale de l’approche proposée sont présentées et comparées avec diverses techniques de précodage
De nos jours, le nombre des utilisateurs mobiles est en train d’exploser et cela va de même pour la demande en débit. En effet, cette demande croissante ainsi que le nombre considérable d’appareils qui sont appelés à être connectés (plus de 29 milliards d’ici 2022 selon Ericsson) oblige à entièrement repenser les technologies de communication mobile. De nouveaux systèmes doivent être développés afin de proposer une solution aux nouveaux usages qui vont naître de cette évolution. Le MIMO massif est une nouvelle technologie caractéristique de la 5G. Au lieu de mettre en place une seule antenne réceptrice-émettrice, le MIMO massif combine plusieurs antennes à la fois afin de renforcer le signal et réduire les interférences. Un tel système est très souvent étudié pour des transmissions multi-utilisateurs grâce à son potentiel à focaliser l’énergie. Parmi les nombreuses technologies caractéristiques de la 5G, nous considérons comme un bon candidat un système fonctionnant à des longueurs d’onde millimétriques afin de satisfaire le besoin du débit élevé sur des petites zones cibles. Cependant, plusieurs difficultés de conception apparaissent à une telle échelle de fréquence. Particulièrement, l’utilisation d’un nombre élevé de chaînes RF en parallèle semble plus compliquée. Pour remédier à ce problème, des systèmes dits hybrides ont vu le jour et ils sont identifiés comme des solutions pertinentes afin de contourner ces difficultés. Malgré les avantages apportés par les systèmes MIMO massifs à ondes millimétriques, il est important de comprendre ces innovations d’un point de vue d’évolution de l’architecture des réseaux. De nos jours, l’architecture moderne des réseaux cellulaires devient de plus en plus hétérogène, pour de bonnes raisons. Dans ces réseaux hétérogènes, les stations de base sont souvent augmentées avec un grand nombre de petites cellules. Ces dernières consistent en de petites stations de base, utilisées pour améliorer la couverture dans des environnements denses et pour augmenter la capacité du réseau. Cependant, plusieurs problèmes techniques naissent du déploiement dense de ces petites cellules. Particulièrement, leur coexistence avec les réseaux traditionnels et les différents niveaux de puissance de transmission peuvent être la source de fortes interférences entre les cellules. Le travail de ce mémoire se concentre sur la gestion des interférences intercellulaires dans un réseau hétérogène à spectre partagé. Ces interférences sont dues principalement au fait que les utilisateurs sont forcés de s’associer aux petites cellules en présence de macrocellules avoisinantes. Par conséquent, nous proposons une nouvelle architecture d’un réseau hétérogène comprenant plusieurs petites cellules qui coexistent avec une macrocellule équipée d’un grand nombre d’antennes au niveau de la macro station de base (MBS). L’objectif est de concevoir un nouveau schéma de précodage hybride permettant d’annuler les interférences intercellulaires sur le lien descendant (DL). Nous proposons d’appliquer uniquement un contrôle de phase pour coupler les sorties de la chaîne RF aux antennes d’émission, en utilisant des déphaseurs RF économiques. Un précodage numérique est ensuite effectué à la station de base pour gérer les interférences intercellulaires et multi-utilisateurs en s’appuyant sur l’espace nul des canaux d’interférences. Enfin, des résultats de simulations démontrant l’efficacité spectrale de l’approche proposée sont présentées et comparées avec diverses techniques de précodage
Nowadays, the number of mobile users and the demand for bandwidth are exploding. Indeed, this growing demand and the considerable number of devices to be connected (more than 29 billion by 2022 according to Ericsson) requires a complete rethink of the mobile communication technologies. New systems must be developed in order to provide a solution to the new uses that will emerge from this evolution. Massive MIMO is a new technology characteristic of 5G. Instead of implementing a single transmitting/receiving antenna, massive MIMO system combines several antennas to rein-force the signal and reduce the interference. Such a system is very often studied for multi-user transmissions thanks to its potential to focus energy. Among the many characteristic technologies of 5G, we consider as good candidates, those operating at millimetre wavelengths to satisfy the need for high throughput in small targeted areas. However, several design difficulties occur at such a frequency scale. In particular, the use of a large number of RF chains in parallel is more complicated. To remedy this problem, hybrid systems have emerged and are identified as relevant solutions to overcome these difficulties. Despite the benefits of massive MIMO systems and millimetre wave, it is important to understand these innovations from the perspective of network architecture evolution. Nowadays, the modern architecture of cellular networks is becoming more and more heterogeneous, for good reasons. In these heterogeneous networks, base stations are often augmented with a large number of small cells. It consists of small base stations, used to improve coverage in dense environments and increase network capacity. However, several technical problems arise from the dense deployment of these small cells. In particular, their coexistence with traditional networks and the different levels of transmission power can be the source of strong interferences between cells. In this thesis, we focus on the intercellular interference management in a heterogeneous shared spectrum network. This interference is mainly due to the fact that users are forced to be associated with small cells in the presence of surrounding macrocells. Therefore, we propose a new architecture of a heterogeneous network comprising several small cells that coexist with a macrocell equipped with a large number of antennas at the macro base station (MBS). The goal is to design a new hybrid precoding scheme to cancel intercellular interference on the downlink transmissions (DL). We propose to apply only phase control to couple the outputs of the RF chain to the transmitting antennas, using economical RF phase shifters. Digital precoding is then performed at the base station to manage intercellular and multi-user interference based on the null space of the interference channels. Finally, simulation results demonstrating the spectral efficiency of the proposed approach are presented and compared with various precoding techniques
Nowadays, the number of mobile users and the demand for bandwidth are exploding. Indeed, this growing demand and the considerable number of devices to be connected (more than 29 billion by 2022 according to Ericsson) requires a complete rethink of the mobile communication technologies. New systems must be developed in order to provide a solution to the new uses that will emerge from this evolution. Massive MIMO is a new technology characteristic of 5G. Instead of implementing a single transmitting/receiving antenna, massive MIMO system combines several antennas to rein-force the signal and reduce the interference. Such a system is very often studied for multi-user transmissions thanks to its potential to focus energy. Among the many characteristic technologies of 5G, we consider as good candidates, those operating at millimetre wavelengths to satisfy the need for high throughput in small targeted areas. However, several design difficulties occur at such a frequency scale. In particular, the use of a large number of RF chains in parallel is more complicated. To remedy this problem, hybrid systems have emerged and are identified as relevant solutions to overcome these difficulties. Despite the benefits of massive MIMO systems and millimetre wave, it is important to understand these innovations from the perspective of network architecture evolution. Nowadays, the modern architecture of cellular networks is becoming more and more heterogeneous, for good reasons. In these heterogeneous networks, base stations are often augmented with a large number of small cells. It consists of small base stations, used to improve coverage in dense environments and increase network capacity. However, several technical problems arise from the dense deployment of these small cells. In particular, their coexistence with traditional networks and the different levels of transmission power can be the source of strong interferences between cells. In this thesis, we focus on the intercellular interference management in a heterogeneous shared spectrum network. This interference is mainly due to the fact that users are forced to be associated with small cells in the presence of surrounding macrocells. Therefore, we propose a new architecture of a heterogeneous network comprising several small cells that coexist with a macrocell equipped with a large number of antennas at the macro base station (MBS). The goal is to design a new hybrid precoding scheme to cancel intercellular interference on the downlink transmissions (DL). We propose to apply only phase control to couple the outputs of the RF chain to the transmitting antennas, using economical RF phase shifters. Digital precoding is then performed at the base station to manage intercellular and multi-user interference based on the null space of the interference channels. Finally, simulation results demonstrating the spectral efficiency of the proposed approach are presented and compared with various precoding techniques

Pour satisfaire la demande grandissante en communication sans fil de grande qualité, il faut mettre au point de nouvelles techniques exploitant au mieux les ressources limitées : bande passante et puissance. La technologie MIMO utilisant des antennes multiples à l'émission et/ou à la réception est une solution prometteuse pour les prochaines générations de systèmes de communication. Elle procure des gains de capacité par rapport à un système mono-antenne en gardant la même bande passante et la même puissance de transmission. Des codes spatio-temporel permettent d'approcher la capacité des systèmes MIMO, comme les codes en blocs spatio-temporel qui améliorent la fiabilité de la transmission en mettant en oeuvre de la diversité de transmission. Les STBC orthogonaux à rendement maximal offrent une diversité maximale dans le cas de deux antennes à l'émission. Pour plus de deux antennes d'émission, des STBC non-orthogonaux permettent d'atteindre un rendement élevé mais au détriment des gains de diversité et de la complexité de décodage. Ce travail s'intéresse au cas de la transmission à partir de quatre antennes avec des schémas à base de NO-SBTC recevant une information sur l'état du canal du récepteur. En supposant que seule une information partielle de l'état du canal est disponible au niveau de l'émetteur, deux types de schémas à contre-réaction sont étudiés dans différentes conditions de canal : quasi-orthogonaux et orthogonaux étendus. En outre, des turbo-récepteurs de faible complexité on été conçu pour ces deux schémas en association avec une modulation BICM montrant qu'un processus itératif entre décodeur MIMO et décodeur de canal procure des gains significatifs.
In order to satisfy the huge demand for high data rates and improved link quality wireless communication systems, new techniques are required, which can exploit the limited resources: bandwidth and power. MIMO wireless technology employing multiple antennas at the transmitter and/or at the receiver is an efficient solution for next generation communication systems because it can produce potential capacity gains over SISO systems using the same bandwidth and transmit power. In order to approach the capacity of MIMO systems, space-time block code (STBC) is one of space-time coding strategies that improves transmission reliability by means of transmit diversity. It has been demonstrated that the complex full-rate, orthogonal STBC, offering full diversity, is only limited to the case of two transmit antennas. For more than two transmit antennas, various non-orthogonal STBCs have been proposed to achieve a high rate at the expense of loosing diversity gains and increasing the decoding complexity. This work presented focus on designing limited feedback schemes for four transmit-antenna NO-STBC to achieve more diversity gains. Assuming that only partial channel state information is available at the transmitter, two types of closed-loop NO-STBCs using two feedback bits are studied under different channel conditions: closed-loop quasi-orthogonal STBC and closed-loop extended-orthogonal STBC. Moreover, low-complexity Turbo receivers are respectively designed for these two CL-NO-STBCs in BICM systems. Simulation results show that with iterative processing between the MIMO decoder and the channel decoder, significant coding gains can be achieved

Basée sur l'utilisation de plusieurs antennes à l'émission et à la réception, la technologie MIMO (Multiple Input Multiple Output) permet d'aboutir à une amélioration importante des débits et/ou des performances d'une liaison numérique par rapport aux systèmes SISO (Single Input Single Output). Cependant, l'augmentation du nombre d'antennes à l'émission et à la réception nécessite la mise en oeuvre de traitements plus complexes afin de restituer l'information transmise et conserver le débit d'information. De multiples algorithmes de détection spatio-temporels ont été proposés et les systèmes itératifs turbo en particulier suscitent un grand intérêt. Plus particulièrement, les techniques de turbo égalisation MMSE (Minimum Mean Square Error) associées à une structure d'émission de type ST-BICM (Space Time - Bit Interleaved Coded Modulation) utilisant le multiplexage spatial, offrent un compromis intéressant entre performance et complexité, ainsi qu'une grande efficacité spectrale. L'objectif de ce mémoire est de rendre compte du potentiel des canaux multi-antennes / multi-trajets qu'un turbo égaliseur peut restituer dans un contexte ST-BICM. Différentes structures de récepteurs sont étudiées en portant une attention particulière à la complexité calculatoire mise en oeuvre. Les contributions originales de la thèse concernent principalement les points suivants: l'obtention d'une expression exacte des performances théoriques du turbo-égaliseur MMSE en sortie de l'égaliseur génie pour un canal de type ''Rayleigh Block Fading Channel'' sélectif en fréquences, la proposition d'un nouveau dispositif d'égalisation performant et de faible complexité ne nécessitant pas d'inversion matricielle et enfin une étude comparative des transmissions monoporteuse et OFDM avec un turbo égaliseur MMSE réalisé dans le domaine fréquentiel
Based on multiple transmit and receive antennas, MIMO (Multiple Input Multiple Output) technology allows enhanced data rates and/or improved performance within the communication link in comparison to SISO (Single Input Single Output) systems. Nevertheless, the increasing number of transmit and receive antennas involves implementing complex processing to restore the transmitted information. Many space-time detection algorithms have been proposed and iterative turbo systems have retained much attention. In particular, MMSE (Minimum Mean Square Error) turbo equalization techniques associated with a transmission scheme such as ST-BICM (Space Time -Bit Interleaved Coded Modulation) exploiting spatial multiplexing offer an attractive compromise between performance and complexity, as well as high spectrak efficiency. The objective of this thesis is to demonstrate the full benefit of multi-antenna / multi-path channels that can be restored by the turbo equalizer in a ST-BICM context. Several receiver schemes are studied and the computational cost requirement is provided. The original contributions of this thesis are mainly the following : the derivation of a closed form expression of the theoretical performance of the MMSE turbo equalizer at the output of the genie equalizer for frequency selective block Rayleigh fading channels, the proposition of a novel efficient reduced complexity equalizer without matrix inversion and, finally, a comparative study of frequency domain MMSE turbo equalization for single carrier and OFDM transmission

In wireless distributed networks, where multiple antennas can not be integrated in one node, cooperative Multi-Input Multi-Output (MIMO) techniques help to exploit the space time diversity gain in order to increase performances or to reduce the transmission energy consumption. In this thesis, strategies using cooperative MIMO techniques are proposed for Wireless Sensor Network (WSN) where the energy consumption is the most important design criterion. The performance and the energy consumption advantages of cooperative MIMO technique are investigated, in comparison with the SISO, multi-hop SISO and cooperative Relay techniques, and an optimal selection of transmit-receive antennas number in terms of energy consumption is also proposed as a function of transmission distances. Since the wireless nodes are physically separated in cooperative MIMO systems, the imperfect time synchronization between cooperative nodes clocks leads to an unsynchronized MIMO transmission. The performance degradation of this cooperative transmission synchronization error and the cooperative reception additional noise is evaluated by simulations. Two new cooperative reception techniques based on the relay principle and a new efficient space-time combination technique are proposed in order to increase the energy efficiency of cooperative MIMO systems. Finally, performance and energy consumption comparisons between cooperative MIMO and Relay techniques are performed and an association strategy is also proposed to exploit simultaneously the advantages of the two cooperative techniques
Dans les réseaux sans fil distribués où plusieurs antennes ne peuvent pas être intégrées dans un même nœud de communication, les techniques MIMO (Multiple Input Multiple Output) coopératives permettent d'exploiter le gain de la diversité spatio-temporelle pour augmenter les performances ou réduire l'énergie consommée pour les communications. Dans cette thèse, des stratégies MIMO coopératives sont proposées pour les réseaux de capteurs sans fil (RCS), où la consommation d'énergie est la contrainte la plus importante. Leur avantage en termes de taux d'erreur et de consommation d'énergie sur les techniques mono-antenne (SISO), même multi-étapes, et sur les techniques de relais, est clairement mis en évidence. Une sélection du nombre d'antennes d'émission et de réception, optimale en termes d'efficacité énergétique, est également proposée en fonction des distances de transmission. Les inconvénients du MIMO coopératif, comme les imperfections de synchronisation à l'émission ou les bruits additifs en réception, qui affectent leurs performances dans les réseaux sans fil distribués, sont abordés. Deux nouvelles techniques de réception coopérative basées sur le principe de relais, ainsi qu'une nouvelle technique de combinaison spatio-temporelle sont proposées afin d'augmenter l'efficacité énergique de ces systèmes MIMO coopératifs. Enfin, des comparaisons de performance et de consommation d'énergie entre les techniques MIMO coopératives et de relais montrent que leur utilisation dépend beaucoup de la topologie du réseau et de l'application. Une stratégie d'association est proposée pour exploiter simultanément les avantages des deux techniques de coopération

Les environnements logiciels EDA font apparaitre des potentialités nouvelles permettant les simulations mixtes signal et analogique RF de la couche physique des plates-formes de communication radio-numériques. A partir d’exemples issus de réseaux locaux WLAN à antennes multiples MIMO et à modulation multi-porteuses 0FDM, nous étudions leur mise en oeuvre pour analyser précisément les distorsions créées par des dispositifs radiofréquences, en prenant en compte les effets de propagation des ondes au niveau circuit ou électromagnétique. Tout d’abord, nous appliquons notre démarche au fiItre image RF dans un système par ailleurs idéalisé. Différents niveaux de modélisation et différentes solutions d’implémentation sont envisagés. Les diagrammes de constellation et les valeurs d’EVM obtenus sont comparés en regard des réponses fréquentielles, mettant en évidence certaines limitations liées à l’échantillonnage temporel de l’enveloppe complexe des signaux simulés et à la convergence des méthodes d’analyse. A l’aide de dipôles et de patchs couplés, la relation entre les antennes et le canal de propagation est ensuite abordée. Elle conduit au développement de deux méthodes complémentaires permettant l’établissement des modèles précis d’antennes couplées, ces derniers étant utilisés isolés ou en combinaison avec un modèle de propagation issu d’un simulateur à rayons pour étudier la relation entre le couplage et la corrélation. Nous proposons alors un circuit original pour la compensation du couplage indépendamment des distances inter-antennes, efficace même pour des couplages forts, et offrant des perspectives à l’implémentation de sources de rayonnement intégrées et indépendantes
EDA software environments yield new potentialities that allow mixed simulations including signals and analog RF of the radio digital communication platform physical layer. From various examples pertaining to local area network (WLAN) with multiple antennas (MIMO) using muti-carriers modulation scheme 0FDM, one investigates their implementation to analyze distortions generated by the components This is achieved by taking into account wave propagation effects including those at the circuit level. First of all, the approach is applied to the RF image filter by assuming that the other parts of the system are ideal. Different modeling levels and implementations are considered. Hence, constellation diagrams and EVM values obtained are compared to frequency responses, highlighting some limitation related to simulated signal complex envelope time sampling rate and analysis method convergence. Using coupled dipoles and patch antennas, effects on propagation channel is then carried out. This leads to developing two complementary methods that allows one to establish accurate coupled antenna models. These models can be used either separately or in combination with a propagation model based on ray theory and allows one to investigate on the relation between coupling and channel correlation. Finally, an original circuit to compensate coupling independently on the antenna spacing is proposed. This circuit is efficient even in the case of strong coupling and opens door to implement compact and independent radiating source system

Cette thèse porte sur la mise en œuvre des architectures reconfigurables pour répondre aux besoins des systèmes de communication : des débits élevés et une grande flexibilité supportant les évolutivités des futurs systèmes. Nous nous intéressons particulièrement aux systèmes MIMO. Les architectures proposées utilisent l’opérateur CORDIC (COordinate Rotation DIgital Computing) comme opérateur commun, ainsi que les techniques de reconfiguration statique et partielle de FPGA en vue d’une optimisation et d’une adaptation dynamique des ressources matérielles aux caractéristiques de la communication. Le nombre d’opérateurs CORDIC peut donc être modifié par la reconfiguration statique pour s’adapter aux différents récepteurs MIMO et aux différents débits demandés. Les interconnexions entre les opérateurs CORDIC peuvent être modifiées par la reconfiguration partielle et dynamique de FPGA afin d’optimiser les ressources matérielles. L’impact du nombre d’étage de l’opérateur CORDIC sur le TEB et EQM du décodeur a été étudié. Trois exemples de récepteurs MIMO ont été réalisés à l’aide cette architecture reconfigurable: V-BLAST Square Root, MMSE et CMA. L'utilisation de cette architecture permet de diminuer les ressources matérielles sans dégrader les performances du décodeur MIMO en terme de TEB et EQM
This thesis addresses the realization of reconfigurable architectures to answer the communication system requirement like high performance on data rate and flexibility supporting the evolution of future systems. We are particularly interested in MIMO applications. The proposed architectures use CORDIC (COordinate Rotation DIgital Computing) operator as common operator. Also the static and partial reconfiguration of FPGA is performed in view of an optimization and dynamic adaptation of hardware resources according to communication system specifications. The number of CORDIC operators can be changed by static reconfiguration to adapt to different MIMO receivers and different required data rate. The interconnections between CORDIC operators can be changed by partial and dynamic FPGA reconfiguration to optimize the hardware resources. The impact of step number of CORDIC operator on BER and MSE is also studied. Three MIMO receivers are realized in this architecture: V-BLAST Square Root, MMSE and CMA. The use of these architectures allows reducing the hardware resources without BER and MSE degradation

Avec sa bande passante énorme, la fibre MMF semble le seul média capable d’offrir un système multiservices à hauts débits dans les réseaux d’entreprises et "in-door". Un réseau MMF peut constituer l’épine dorsale du réseau qui alimente les services fixe-filaire (tels que les services de données GbE), ainsi que les services sans fil (IEEE 802. X par exemple) dans l’ensemble du bâtiment par une technique de multiplexage. Une telle technique doit optimiser le rapport efficacité/ coût. Dans ce travail, notre attention s’est focalisée sur la technique O-MIMO, basée sur la technique de multiplexage MGDM. Cette technique exploite au maximum la bande passante de la fibre par une excitation focalisée et augmente la capacité de la fibre au moyen d’injections et de réceptions spatiales de lumière. Nous avons établi par une étude théorique un modèle analytique de la fibre MMF pour la technique MGDM. Nous avons étudié les meilleures conditions d’émission et de réception pour améliorer la qualité et la capacité du système. Ainsi, afin de rapprocher notre modèle de la réalité, les effets mécaniques agissant sur la fibre sont modélisés analytiquement. Une étude théorique complète, abondée par des simulations, est présentée et les imperfections des éléments du réseau optique sont prises en compte. De plus, dans le but d’assurer la transmission de tous les services mixtes (en bande de base et radio), nous avons proposé un modèle de multiplexage basé sur MGDM, avec une orthogonalité entre les services radio et les autres services. Cette orthogonalié est basée sur une différence de puissances et de fréquences optiques entre l’émetteur associé au service radio et les autres. Ce modèle est validé par une simulation sur le logiciel VPI systems, pour plusieurs utilisateurs et plusieurs débits binaires allant jusqu’à 5 Gb/s. Cette présentation est complétée par notre contribution à l’élaboration du cahier des charges d’une expérimentation
Due to its enormous bandwidth, the MMF fiber seems the only medium able to offer a broadband multiservices system in the office and "in-door" networks. A MMF network can constitute the backbone of the network which feeds the fixed-wired services (such as the data services GbE), as well as the wireless services (IEEE 802. X for example) in the whole building using a multiplexing technique. Such a technique must meet a high efficacy/cost ratio. In this work, our attention focused on the O-MIMO technique, based on aMGDMmultiplexing. This technique exploits at most the fibre bandwidth by a focused excitation and increases the fibre capacity using spatial launching and reception. We established, by a theoretical study, an analytical model of the MMF fibre for MGDM technique. We studied the best conditions of emission and reception, to improve the system quality and capacity. So, to take the real environment into account on our model, mechanical effects acting on the fiber are analytically modelled. A theoretical complete study, supported by simulations, is presented and the imperfections of the elements of the optical network are taken into account. Moreover, in order to ensure the transmission of all mixed services (baseband and radio), we proposed a model based on MGDM multiplexing with orthogonality between radio services and other services. This orthogonality is based on a difference in powers and optical frequencies between the transmitter associated with the radio service and the others. This model is demonstrated by simulation, by using VPI Systems software, for multiple users and multiple bit rates up to 5 Gb/s. This presentation is completed by our contribution to the elaboration of the specifications of an experiment

Ce travail de thèse concerne la transmission de vidéo dans les réseaux ad hoc. Plusieurs schémas et solutions ont été proposés afin d'améliorer voire assurer la qualité de service des applications intégrant la transmission temps réel de vidéo dans les réseaux ad hoc. Les performances de ces solutions sont évaluées par simulation à l'aide de plateformes de simulation de réseaux tels que NS-2 et GLOMOSIM, etc. Cependant, la couche physique de ces simulateurs manque de réalisme et ne modélise pas proprement le comportement d'un canal radio dans un environnement urbain. Nous avons proposé une couche physique réaliste qui prend en compte toutes les spécificités d'un canal radio mobile. Cette couche physique est basée sur un modèle de propagation à tracé de rayons et permet d'évaluer la qualité des liens SISO et MIMO suivant respectivement les normes de transmission IEEE 802. 11a et IEEE 802. 11n. Cette étude montre qu'il est important de considérer une couche physique réaliste dans les simulateurs de réseaux pour évaluer les performances des solutions de transmission vidéo. Dans un deuxième temps, nous avons proposé une solution originale de codage conjoint source-canal pour la transmission hiérarchique du flux vidéo H. 264/SVC. Cette solution exploite la diversité spatiale du canal MIMO conjointement avec la hiérarchie du codeur vidéo H. 264/SVC afin d'assurer la meilleure qualité de service quelques soient les conditions de transmission. Cette solution utilise la notion de précodage MIMO pour une allocation de puissance optimale entre les antennes visant à minimiser la distorsion de la vidéo reçue
This work focus on video transmission over mobile a hoc net-works. Several schemes have been proposed in order to improve and guarantee a high quality of service of applications integrating video transmission over ad hoc networks. The performance of these schemes is assessed by using network simulator tools such as NS-2 and GLOMOSIM. However, the physical layer usually used in network simulators does not properly model the propagation phenomenon as in a real urban environment. We have proposed a realistic physical layer which considers all specificities of mobile wireless channel. This physical layer uses a ray tracer propagation mo-del and allows assessing a SISO and MIMO wireless links following the IEEE 802. 11a and IEEE 802. 11n standards, respectively. This work clearly shows that we should consider a realistic physical layer in network simulator to assess the performance of video transmission schemes. On the other hand, we have pro-posed an original joint source-channel coding solution for a hierarchical trans-mission of scalable video coder, known as H. 264/SVC. This solution exploits a spatial diversity of a MIMO channel jointly with a hierarchy provided by the H. 264/SVC coder in order to guarantee the best quality of the received video regardless the channel conditions. The proposed solution uses a precoder designs for an optimal power allocation toward transmitted antennae in order to minimize the received video distortion

Dans cette thèse, nous considérons la dernière génération du radar. Il s’agit d’un radar MIMO bistatique qui est composé de plusieurs antennes d’émission et de réception. Pour ce système, les antennes émettrices transmettent des signaux linéairement indépendants afin qu’ils puissent être identifiés à l’aide d’un banc de filtres adaptés au niveau des antennes de réception. Les signaux filtrés sont alors traités pour extraire les paramètres des cibles, tels que les DOA, DOD, vitesse, etc. Un radar MIMO bistatique offre une grande diversité spatiale et une excellente identifiabilité des paramètres, etc., ce qui nous a incités à l’utiliser dans ce travail. La situation en champ lointain d’un radar MIMO bistatique est largement traitée dans la littérature. Mais, peu de travaux existe sur la situation en champ proche, c’est ce qui a motivé le travail de cette thèse. La localisation de cibles en champ proche est importante en raison de nombreuses applications à l’intérieur des constructions. A ce sujet, la plupart des méthodes actuelles utilisent l’approximation de Fresnel dans laquelle le front d’onde sphérique des signaux reçus est supposé quadrique plutôt que planaire comme en champ lointain. Dans ce travail de thèse, nous avons proposé une nouvelle méthode de localisation des cibles en champ proche qui utilise l’approximation de Fresnel. Celle-ci conduit à une estimation biaisée des paramètres de localisation car en réalité le front d’onde est sphérique. Nous avons proposé alors deux méthodes de correction pour réduire les effets de l’approximation de Fresnel et deux autres méthodes qui utilisent directement le modèle exacte basé sur le front d’onde sphérique
Sources localization is used in radar, sonar, and telecommunication. Radar has numerous civilian and military applications. Radar system has gone through many developments over the last few decades and reached the latest version known as MIMO radar. A MIMO radar is composed of multiple transmitting and receiving antennas like a conventional phased array radar. However, its transmitting antennas transmit linearly independent signals so that they can be easily identified by the matched filters bank at its receiving end. The matched filtered signals are then processed to extract the ranges, DOAs, DODs, velocities, etc. of the targets. A bistatic MIMO radar system provides high resolution, spatial diversity, parameter identifiability, etc. which inspired us to use it in this work. There are many existing methods to deal with the far field region of MIMO radar system. However, little work can be found on the near field region of a bistatic MIMO radar which motivated the work in this thesis. Near field targets localization is also important because of many indoor applications. Most of the existing near field sources localization techniques use Fresnel approximation in which the real spherical wavefront is assumed quadric unlike planar in far field situation. In this work we have proposed a novel near field targets localization method using Fresnel approximation. The Fresnel approximation leads to a biased estimation of the location parameters because the true wavefront is spherical. Consequently, we have proposed two correction methods to reduce the effects of Fresnel approximation and other two methods which directly use the exact signal model based on spherical wavefront

For fifteen years many studies have used MIMO systems to increase the Shannon capacity of the traditional SISO systems. To this end, a crucial problem is the design of transmitters which are optimal w.r.t. Shannon capacity, by the use of space-time codes or of prior knowledge on the transmission channel. These problems have been addressed by many studies in the case of frequency flat MIMO channels but are really less mature for frequency selective MIMO channels. This thesis focuses in the first part on the optimization, w.r.t. the ergodic capacity, of the covariance of the vector transmitted, via the Random Matrix Theory. Using multiple transmit antennas also gives rise to diversity, which improves the receiving performance. In the second part, we thus focus on the diversity, in the specific case of a MMSE receiver. Unlike the ML receiver, this receiver is suboptimal but very simple to implement. We first study the diversity at high SNR for frequency selective channels. We then focus on a diversity factor, the use of space-time codes in block (STBC), specifically the use of the Alamouti code. Thus, we propose and analyze in the multiuser context a new MMSE receiver robust to interference thanks to its ability to use optimally the degrees of freedom available in the channel

La maximisation du débit des transmissions en canaux de diffusion multi-utilisateurs MIMO est étudiée dans cette thèse. Tout d'abord, nous donnons un aperçu de l'état de l'art des techniques de la littérature, et proposons une nouvelle méthode de formation de voies sous contrainte de puissance totale. Ensuite, considérant que la puissance de chaque antenne à l’émission est limitée par la linéarité de son amplificateur de puissance, nous imposons une contrainte plus réaliste et formulons une optimisation du débit avec une contrainte de puissance par antenne. Dans cette thèse, ce problème initial difficile à résoudre est alors divisé en deux sous-problèmes classiques, dont l'un est un problème d’optimisation SDP (semidefinite programming), et l’autre se résout par la technique MRC (maximal-ratio-combining). Par comparaison avec les méthodes de la littérature, la technique proposée permet une augmentation du débit global. De plus, la méthode proposée s’applique aussi dans le cas où le nombre total d'antennes de réception est plus grand que le nombre d’antennes à l'émission. Enfin, si l'interférence n'est pas complètement supprimée entre les canaux de diffusion multi-utilisateurs MIMO, l’allocation de la puissance parmi les canaux devient un problème NP difficile. Dans ce contexte, une nouvelle technique d’allocation de puissance efficace en temps de calcul pour l’optimisation du débit global est proposée. En comparaison avec les méthodes de la littérature, la complexité de calcul est significativement réduite, et le débit obtenu reste proche de la valeur optimale
The sum rate maximization in multiuser MIMO broadcast channels is investigated in this thesis. Firstly, we give an overview of the state of the art of the different beamforming techniques in the literature, and a new beamforming method under total power constraint is proposed. Secondly, considering that the power of each antenna is limited individually by the linearity of its power amplifier in practice, we impose a more realistic per-antenna power constraint to optimize the sum rate. It can be seen that the original problem is difficult to solve. Then in this thesis, this problem is divided into two classical subproblems, one of which becomes a semidefinite programming (SDP) problem, and the other one can be solved by the maximal-ratio combining (MRC) technique. Compared with the methods in the literature, a better sum rate performance is achieved. Moreover, the proposed method works even if the number of total receive antennas is larger than that of the transmit antennas. Thirdly, if the interference is not removed completely in multiuser MIMO broadcast channels, power allocation becomes a NP hard problem. In this thesis, an efficient suboptimal power allocation method is proposed to maximize the sum rate. Compared with the methods in the literature, the computational complexity is substantially reduced, and the performance is close to the optimal value

Les systèmes de communications MIMO utilisent des réseaux de capteurs qui peuvent s’étendre à de grandes dimensions (MIMO massifs) et qui sont pressentis comme solution potentielle pour les futurs standards de communications à très hauts débits. Un des problème majeur de ces systèmes est le fort niveau d’interférences dû au grand nombre d’émetteurs simultanés. Dans un tel contexte, les solutions ’classiques’ de conception de pilotes ’orthogonaux’ sont extrêmement coûteuses en débit utile permettant ainsi aux solutions d’identification de canal dites ’aveugles’ou ’semi-aveugles’ de revenir au-devant de la scène comme solutions intéressantes d’identification ou de déconvolution de ces canaux MIMO. Dans cette thèse, nous avons commencé par une analyse comparative des performances, en nous basant sur les CRB, afin de mesurer la réduction potentielle de la taille des séquences pilotes et ce en employant les méthodes dites semi-aveugles. Les résultats d’analyse montrent que nous pouvons réduire jusqu’à 95% des pilotes sans affecter les performances d’estimation du canal. Nous avons par la suite proposé de nouvelles méthodes d’estimation semi-aveugle du canal, permettant d’approcher la CRB. Nous avons proposé un estimateur semi-aveugle, LS-DF qui permet un bon compromis performance / complexité numérique. Un autre estimateur semi-aveugle de type sous-espace a aussi été proposé ainsi qu’un algorithme basé sur l’approche EM pour lequel trois versions à coût réduit ont été étudiées. Dans le cas d’un canal spéculaire, nous avons proposé un algorithme d’estimation paramétrique se basant sur l’estimation des temps d’arrivés combinée avec la technique DF
MIMO systems use sensor arrays that can be of large-scale (massive MIMO) and are seen as a potential candidate for future digital communications standards at very high throughput. A major problem of these systems is the high level of interference due to the large number of simultaneous transmitters. In such a context, ’conventional’ orthogonal pilot design solutions are expensive in terms of throughput, thus allowing for the so-called ’blind’ or ’semi-blind’ channel identification solutions to come back to the forefront as interesting solutions for identifying or deconvolving these MIMO channels. In this thesis, we started with a comparative performance analysis, based on CRB, to quantify the potential size reduction of the pilot sequences when using semi-blind methods that jointly exploit the pilots and data. Our analysis shows that, up to 95% of the pilot samples can be suppressed without affecting the channel estimation performance when such semi-blind solutions are considered. After that, we proposed new methods for semi-blind channel estimation, that allow to approach the CRB. At first, we have proposed a SB estimator, LS-DF which allows a good compromise between performance and numerical complexity. Other SB estimators have also been introduced based on the subspace technique and on the ML approach, respectively. The latter is optimized via an EM algorithm for which three reduced cost versions are proposed. In the case of a specular channel model, we considered a parametric estimation method based on times of arrival estimation combined with the DF technique

À mesure que les réseaux de communication sans fil se développent vers la 5G, une énorme quantité de données sera produite et partagée sur la nouvelle plate-forme qui pourra être utilisée pour promouvoir de nouveaux services. Parmis ceux-ci, les informations de localisation des terminaux mobiles (MT) sont remarquablement utiles. Par exemple, les informations de localisation peuvent être utilisées dans différents cas de services d'enquête et d'information, de services communautaires, de suivi personnel, ainsi que de communications sensibles à la localisation. De nos jours, bien que le système de positionnement global (GPS) des MT offre la possibilité de localiser les MT, ses performances sont médiocres dans les zones urbaines où une ligne de vue directe (LoS) aux satellites est bloqué avec de nombreux immeubles de grande hauteur. En outre, le GPS a une consommation d'énergie élevée. Par conséquent, les techniques de localisation utilisant la télémétrie, qui sont basées sur les informations de signal radio reçues des MT tels que le temps d'arrivée (ToA), l'angle d'arrivée (AoA) et la réception de la force du signal (RSS), ne sont pas en mesure de fournir une localisation de précision satisfaisante. Par conséquent, il est particulièrement difficile de fournir des informations de localisation fiables des MT dans des environnements complexes avec diffusion et propagation par trajets multiples. Les méthodes d'apprentissage automatique basées sur les empreintes digitales (FP) sont largement utilisées pour la localisation dans des zones complexes en raison de leur haute fiabilité, rentabilité et précision et elles sont flexibles pour être utilisées dans de nombreux systèmes. Dans les réseaux 5G, en plus d'accueillir plus d'utilisateurs à des débits de données plus élevés avec une meilleure fiabilité tout en consommant moins d'énergie, une localisation de haute précision est également requise. Pour relever un tel défi, des systèmes massifs à entrées multiples et sorties multiples (MIMO) ont été introduits dans la 5G en tant que technologie puissante et potentielle pour non seulement améliorer l'efficacité spectrale et énergétique à l'aide d'un traitement relativement simple, mais également pour fournir les emplacements précis des MT à l'aide d'un très grand nombre d'antennes associées à des fréquences porteuses élevées. Il existe deux types de MIMO massifs (M-MIMO), soit distribué et colocalisé. Ici, nous visons à utiliser la méthode basée sur les FP dans les systèmes M-MIMO pour fournir un système de localisation précis et fiable dans un réseau sans fil 5G. Nous nous concentrons principalement sur les deux extrêmes du paradigme M-MIMO. Un grand réseau d'antennes colocalisé (c'est-à-dire un MIMO massif colocalisé) et un grand réseau d'antennes géographiquement distribué (c'est-à-dire un MIMO massif distribué). Ensuite, nous ex trayons les caractéristiques du signal et du canal à partir du signal reçu dans les systèmes M-MIMO sous forme d'empreintes digitales et proposons des modèles utilisant les FP basés sur le regroupement et la régression pour estimer l'emplacement des MT. Grâce à cette procédure, nous sommes en mesure d'améliorer les performances de localisation de manière significative et de réduire la complexité de calcul de la méthode basée sur les FP.
As wireless communication networks are growing into 5G, an enormous amount of data will be produced and shared on the new platform, which can be employed in promoting new services. Location information of mobile terminals (MTs) is remarkably useful among them, which can be used in different use cases of inquiry and information services, community services, personal tracking, as well as location-aware communications. Nowadays, although the Global Positioning System (GPS) offers the possibility to localize MTs, it has poor performance in urban areas where a direct line-of-sight (LoS) to the satellites is blocked by many tall buildings. Besides, GPS has a high power consumption. Consequently, the ranging based localization techniques, which are based on radio signal information received from MTs such as time-of-arrival (ToA), angle-of-arrival (AoA), and received signal strength (RSS), are not able to provide satisfactory localization accuracy. Therefore, it is a notably challenging problem to provide precise and reliable location information of MTs in complex environments with rich scattering and multipath propagation. Fingerprinting (FP)-based machine learning methods are widely used for localization in complex areas due to their high reliability, cost-efficiency, and accuracy and they are flexible to be used in many systems. In 5G networks, besides accommodating more users at higher data rates with better reliability while consuming less power, high accuracy localization is also required in 5G networks. To meet such a challenge, massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems have been introduced in 5G as a powerful and potential technology to not only improve spectral and energy efficiency using relatively simple processing but also provide an accurate locations of MTs using a very large number of antennas combined with high carrier frequencies. There are two types of massive MIMO (M-MIMO), distributed and collocated. Here, we aim to use the FP-based method in M-MIMO systems to provide an accurate and reliable localization system in a 5G wireless network. We mainly focus on the two extremes of the M-MIMO paradigm. A large collocated antenna array (i.e., collocated M-MIMO ) and a large geographically distributed antenna array (i.e., distributed M-MIMO). Then, we extract signal and channel features from the received signal in M-MIMO systems as fingerprints and propose FP-based models using clustering and regression to estimate MT's location. Through this procedure, we are able to improve localization performance significantly and reduce the computational complexity of the FP-based method.

Les systèmes de communication MU-MIMO connus en théorie de l’information par systèmes à canal de diffusion (BC) est devenu ces dernières années l’un des sujets les plus étudiés dans le domaine des communications sans fil. Cet important intérêt vient de l’énorme potentiel qu’il offre dans l’amélioration aussi bien de la fiabilité que la stabilité des systèmes ce qui lui a valu l’intégration dans les systèmes de nouvelle génération (LTE, WIFI…) Cependant, du fait, de la corrélation non linéaire entre les directions et à cause du couplage avec la distribution de puissance, le débit total représentant la fonction coût à maximiser devient non convexe. La théorie de l’information a démontré que la capacité du BC peut être atteinte par un codage DPC. Sauf que ce précodage est d’une part non linéaire et donc difficilement réalisable, et d’autre part, présente une grande complexité (consomme trop de ressources). Afin de remédier à cela, des algorithmes linéaires sous-optimaux ont été proposés. Elles peuvent être classées en solutions itératives et approchée (CF). Ces techniques peuvent également être différenciées en fonction du nombre de flux attribués par utilisateur. En fait, certains ne permettent qu’un seul flux par utilisateur même si le système ne soit pas entièrement chargé. On a récemment proposé des algorithmes multi-flux. Mais d’importants inconvénients persistent comme devoir préfixer la distribution des flux mais surtout les problèmes de convergence vers un maxima local et la divergence. Cette thèse s'inscrit dans ce cadre et à travers elle on essaye de proposer des solutions afin d’améliorer les algorithmes d’optimisation et maximiser le débit à moindre complexité
Investigated subjects in wireless communications. This important interest comes from the high potential it offers in improving reliability and throughput of the system and the problem starts to be considered in recent systems such as LTE, WiFi, …Actually, as there is a non linear correlation between directions and as, furthermore, the power allocation are coupled, the sum rate, i. E. The cost function to maximize, is a non convex function; Nevertheless, Information theory has shown that the capacity of BC could be achieved through dirty-paper coding 5DPC). Considering the complexity and resource consumption of DPC, some suboptimal linear algorithms have been proposed. Among them we can find the iterative and the closed form solutions. The practical, precoder design techniques can also be differentiated according to the number of streams allowed per user. In fact, some on them can only support at maximum one stream per user even if the system is not fully charged. Some multi-stream precoding solutions have lately been proposed. Nevertheless, they present some drawbacks as some impose the number of streams per user and does not perform a stream selection to optimize the system sum-rate (SR) and some convergence problems towards some local maximum are limiting the throughput. This thesis outlines our attempt to propose some optimization algorithms for linear precoding in multiuser MIMO downlink scheme. It is essentially a collection of the following: - Linear precoding with single stream - Linear precoding with multiple stream per user

L’évolution des communications sans fil doit répondre à la croissance exponentielle de la consommation de données. On prévoit une augmentation du débit allant jusqu’à 1000 d’ici 2020. Cependant, pour atteindre ce but, plusieurs ingrédients sont essentiels. La limitation majeure des systèmes sans fil est l’interférence à cause de la réutilisation des fréquences. C'est un problème qui existait depuis toujours et notamment à partir de la 3G. On croit que ce problème sera notamment plus grave dans la 5G, et cela à cause de la densification prévue des réseaux. L’utilisation de l’OFDM en 4G a mené à la gestion de l’interférence par coordination dynamique des blocs de ressources. Or, cela n’a permis qu’une augmentation modeste du débit. Une nouvelle technique de gestion de l’interférence fut née il y a 5 années. Cette technique s’appelle l’alignement d’interférence (IA). L’IA permet d’avoir une capacité égale à la moitié de la capacité d’un système sans interférences. Cette technique suppose que chaque transmetteur (TX) connait les canaux non seulement envers les récepteurs (RX)s mais les canaux de tous les TXs vers tous les RXs. Une technique d’interférence plus récente qui améliore l’IA, c’est le massive MIMO, ou les TXs sont équipés d’antennes à grande échelle. l’idée est motivée par plusieurs simplifications qui apparaissent en régime asymptotique ou les stations de base ont un trés grand nombre d’antennes. Le but de cette thèse est d’introduire des solutions complètes et réalistes pour la gestion d’interférence en utilisant le massive MIMO dans un scénario multi-cellules multi-utilisateurs. Notre travail traite surtout le problème de la connaissance imparfaite des canaux
The evolution of wireless communication must meet the increasingly high demand in mobile data. It is expected to increase the maximum rates of wireless by a factor of 1000 by 2020. Meanwhile, it is clear that to reach this goal, a combination of different ingredients is necessary. The major limitation of wireless systems is the interference due to frequency reuse. This has been a long-standing impairment in cellular networks of all generations that will be further exacerbated in 5G networks, due to the expected dense cell deployment. The use of orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) in 4G leaded to an interference management by dynamic coordination of resource blocks. However, this allowed only modest gains in rates. A new technique of interference management was born 5 years ago, the interference alignment (IA). the IA permits to have a capacity with equals the half of the capacity of an interference-free system. This technique supposes that each transmitter (TX) knows the channels not only towards its receivers (RX)s, but the channels from all TXs to all receivers RXs. A more recent interference technique that boosts IA is massive multiple input multiple output (MIMO), where TXs use antennas at a very large scale. The idea is motivated by many simplifications, which appear in an asymptotic regime where base stations are endowed with large numbers of antennas. This thesis treats the problem of interference cancellation and capacity maximization in massive MIMO. In this context, the thesis proposes new interference management alternatives for the massive MIMO antenna regime, taking into account also the practical challenges of massive antenna arrays

Cette thèse introduit de nouvelles méthodes de traitement du signal avec des applications pour les systèmes de communications radio-mobiles. Basés sur les relations de symétrie et de redondance des cumulants d’ordre 4 des signaux de sortie du canal, nous traitons le problème de l’identification aveugle de canaux en utilisant la décomposition Parafac du tenseur des cumulants. Nous développons des algorithmes d’identification aveugles basés sur une minimisation de type moindres carrés à pas unique (SS-LS), permettant d’éviter toute sorte de traitement au préalable. L’approche SS-LS induit une solution bas » sur une seule procédure d’optimisation. En exploitant le concept de réseau virtuel, nous abordons aussi le problème de la localisation de sources dans le cadre d’un réseau d’antennes multiutilisateur, dans le but d’augmenter le nombre de capteurs virtuels pour améliorer la résolution réseau sans faire appel aux statistiques d’ordre 6. Nous traitons par ailleurs le problème de l’estimation des paramètres physiques d’un canal de communication de type MIMO à trajets multiples. En utilisant un formalisme tensoriel, nous proposons une nouvelle technique d’estimation non-paramétrique des coefficient d’un modèle MIMO convolutif, généralisant les méthodes proposées dans les chapitres précédents. Les paramètres du canal sont obtenus à l’aide d’un technique combinée de type ALS-MUSIC, basée sur un algorithme de sous-espaces. Enfin, nous considérons le problème de la détermination d’ordre du canal dans le contexte des systèmes MISO. L’algorithme proposé, basé sur une technique de déflation, détecte les sources, détermine l’ordre des canaux et estime les coefficients associés
This thesis introduces new statistical signal processing tools with applications in radio-mobile communication systems. Exploiting the symmetry and redundancy relationships of the 4th-order out-put cumulants, we address the blind channel identification problem by using the Parallel Factor (Parafac) decomposition of the cumulant tensor. We develop blind identification algorithms based on a single-step least squares (SS-LS) minimization problem, enabling us to avoid any kind of pre-processing. The SS-LS approach induces a solution based on a sole optimization procedure. Making use of the Virtual Array concept, we also treat the source localization problem in a multiuser sensor array context in order to provide additional virtual sensors, thus improving the array resolution without resorting to 6th-order statistics. In addition, we consider the problem of estimating the physical parameters of a multipath MIMO communication channel. Using a tensor formalism, we propose a new non-parametric technique to estimate the coefficients of a convolutive MIMO model, so generalizing the methods proposed in the former chapters. We obtain the physical channel parameters by means of a combined ALS-MUSIC technique base on a subspace algorithm. Finally, we turn our attention to the problem of determining the order of FIR channels in the context of MISO systems. The proposed algorithm successively detects the signal sources, determines the order of their individual transmission channels and estimates the associated channel coefficients using a deflationary approach

Les travaux de cette thèse portent sur la proposition d’une méthode de construction d’une nouvelle classe de codes temps-espaces en treillis dits « équilibrés ». Les codes équilibrés sont des codes qui utilisent les points de la constellation MIMO d’une façon équiprobable si les données binaires sont générées d’une façon équiprobable par une source sans mémoire. En comparant avec les codes publiés, on remarque que ce sous-ensemble de codes contient les meilleurs codes STTC. On peut alors limiter la recherche systématique des meilleurs codes seulement à cette famille de codes. Cette thèse présente une méthode originale de construction des codes QPSK STTC équilibrés à 2, 3 antennes d’émission. Cette méthode est également généralisée pour des systèmes avec un nombre d’antennes d’émission et un nombre d’états du codeur quelconques. Une liste complète des meilleurs codes à 4 états et 16 états pour 2 antennes et plusieurs codes équilibrés pour 3 et 4 antennes d’émissions sont aussi donnés
New class of QPSK Space Time Trellis Codes (STTC) for several transmit antennas is presented in this thesis. We propose to call these codes “Balanced STTC” because they use the points of the MIMO constellation with the same probability. Comparing to known codes, these codes offer the best performance. Therefore, the systematic search for good codes can be reduced to this class. It is shown that all the best published codes are balanced. This thesis presents an original method to design these balanced STTC and gives a complete list of the best 4-state et 16-state codes for 2 transmit antennas. Several balanced codes for 3 and 4 transmit antennas are also given

Les techniques mimo (multiple-input multiple-output), utilisant plusieurs antennes simultanement en emission et en reception, constituent une solution pour repondre aux besoins des nouveaux systemes de communication sans fil en termes de debits et de qualite de service. Les nouvelles normes des reseaux locaux sans fil, reseaux radiomobiles et reseaux d’acces ont adopte le concept mimo. Ces nouveaux systemes exploitent la dimension spatiale pour la transmission de l’information en profitant de la diversite offerte par la propagation a trajets multiples. Dans un cas ideal, nous pouvons obtenir une augmentation lineaire des debits en fonction du nombre d’antennes. Toutefois, les performances des systemes mimo dependent largement de l’etat du canal de propagation, et dans ce contexte une caracterisation fine du canal est indispensable. Si dans une configuration mono-antennaire, la caracterisation et la modelisation du canal peuvent se limiter au domaine temporel, il est necessaire pour la technologie mimo de considerer la dimension spatiale au meme niveau que la dimension temporelle. L’objectif de cette these est la caracterisation spatio-temporelle du canal de propagation a 3,5 ghz. Cette etude va permettre d’approfondir la connaissance du canal de propagation mimo pour la bande du systeme wimax. Cette bande est tres peu abordee dans la litterature. L’approche retenue consiste a exploiter un sondeur de canal bidirectionnel large bande pour la caracterisation du canal de propagation mimo. Dans un premier temps, l’etude a porte sur l’extension et la mise a niveau de ce sondeur. Dans ce cadre, plusieurs architectures de reseaux d’antennes ont ete developpees pour la caracterisation spatiale du canal a 3,5 ghz. Ainsi, des reseaux de types lineaires et circulaires ont ete realises afin d’explorer differents types d’environnement. Ensuite, differentes methodes de traitement a haute resolution multi-dimensionnelles sont appliquees aux donnees de mesure afin d’ameliorer la precision des resultats. Enfin, plusieurs campagnes de mesure sont realisees dans cette bande de frequence et en particulier dans une configuration de type penetration "outdoor-to-indoor". Le traitement des donnees de mesure a permis d’extraire les parametres caracteristiques des trajets multiples et en particulier les directions de depart a l’emission et d’arrivee a la reception. Des comparaisons avec des resultats de simulation ont permis d’une part de valider la simulation, et d’autre part d’interpreter les resultats obtenus. D’autres campagnes de mesure seront necessaires pour aboutir a des modeles de canaux de propagation mimo realistes
The mimo (multiple-input multiple-output) technique, using multiple antennas at emission and reception, are a good solution for wireless communication systems to improve data rates and quality of service. Mimo wireless technology has progressed from the stage of fundamental research to commercially available products within a decade. It was adopted by normalization groups of recent wireless communication systems (mobile, wmans, wlans, …). These new systems exploit the spatial dimension to transmit information. Thus, the implementation of these techniques permits to achieve a substantial improvement of digital link performance. However, the performance of mimo systems is very dependent on the propagation channel. In this context, the study of the transmission channel is crucial. In a classical configuration, the channel characterization and modeling can be limited to the time domain. It is necessary, in the case of mimo systems, to consider the spatial dimension as well as the time dimension. This thesis presents the design and the realization of a measurement system allowing a precise characterization of the mimo propagation channel. This wideband channel sounder is developed at 3. 5 ghz. This band is not widely studied in the literature, especially in the outdoor-to-indoor configuration. The wimax system will operate in this frequency band. The used approach is the double directional characterization of the propagation channel. We extended an existing mimo channel sounder to the 3. 5 ghz frequency band. Different antenna array architectures were developed. Thus, linear and circular antenna arrays were designed and ealized at 3. 5 ghz. These different architectures permit the measurements in various environments. Then, the multi-dimensional sage algorithm was developed. It is used to obtain better resolution when applied on measurement data. Finally, several measurement campaigns were conducted at 3. 5 ghz in different environments. In particular, the outdoor-to-indoor scenario was explored. The propagation data processing permits us to obtain the channel characteristics. The multipath parameters were extracted as the dod (direction of departure) and doa (direction of arrival). A comparison between measurement and simulation results was realized. It shows a good agreement and permits the interpretation of propagation physical phenomena. More measurement campaigns are needed to obtain realistic mimo channel models

Les décompositions tensorielles font l’objet d’intérêts croissants, dans de nombreux domaines d’application, notamment le traitement du signal, depuis plusieurs années. Ce succès s’explique par la nature multidimensionnelle des données à traiter, comme c’est le cas par exemple, pour les signaux émis et reçus dans les systèmes de communication sans fil. Ce succès croissant s’explique également par les propriétés mathématiques que présentent les outils tensoriels, notamment en termes d’unicité. Dans une première partie, nous abordons les opérations et modèles tensoriels requis pour les présents travaux de thèse. Dans une seconde partie, nous traitons de nouvelles méthodes permettant de réduire la complexité paramétrique des modèles de Volterra complexes. En considérant les noyaux de Volterra d’ordre supérieur à un comme des tenseurs symétriques, nous utilisons plusieurs décompositions tensorielles pour réduire considérablement la complexité paramétrique des noyaux. Une étude comparative, par l’intermédiaire de simulations de Monte Carlo, évalue les performances des algorithmes mis en œuvre en termes de précision, de complexité, et de sensibilité au bruit. Par la suite, en considérant les noyaux de Volterra d’ordre supérieur à un comme des tenseurs symétriques, nous utilisons la décomposition CP/PARAFAC pour formuler les modèles de Volterra-PARAFAC, qui impliquent une réduction de complexité paramétrique considérable. Nous montrons que ces modèles peuvent être vus comme une série de modèles de Wiener mis en parallèle. Finalement, nous proposons trois méthodes d’identification récursives : le filtre de Kalman étendu complexe (ECKF), l’algorithme des moindres carrés moyens complexe (CLMS), puis sa version normalisée (NCLMS). Des résultats de simulation de Monte Carlo sont présentés pour illustrer les performances des algorithmes d’estimation proposés dans le cas de systèmes de Volterra complexes cubiques excités par des signaux de communication PSK. Nous étendrons les résultats précédents au cas des modèles de Volterra passe-bande, utilisés pour la modélisation de canaux non linéaires. Ainsi, nous développons une nouvelle classe de modèles de Volterra, appelés modèles de Volterra-PARAFAC passe-bande, de complexité paramétrique réduite, en faisant appel à une décomposition CP/PARAFAC doublement symétrique des noyaux de Volterra. Des algorithmes adaptatifs similaires au cas des modèles de Volterra-PARAFAC sont proposés pour l’estimation paramétrique des modèles de Volterra-PARAFAC passe-bande. Des résultats de simulation illustrent le comportement des méthodes d’identification proposées. Dans un premier temps, nous considérons un système de communication coopératif, en supposant que les matrices de code des utilisateurs sont mutuellement orthogonales et connues à la réception. Cette hypothèse nous permet de séparer et décoder simultanément les signaux des utilisateurs, ce qui nous amène à considérer deux approches : une approche semi-aveugle avec estimation du canal durant une phase d’apprentissage, suivie d’une récupération des symboles pour chaque utilisateur, pendant une phase aveugle ; une approche aveugle, caractérisée par une seule phase, qui estime de manière conjointe le canal et des symboles, pour chaque utilisateur. Des résultats de simulation sont fournis pour illustrer les performances des récepteurs aveugles et semi-aveugles. Nous considérons également le cas de figure où les matrices de code des utilisateurs sont inconnues à la réception. Ainsi nous proposons une approche semi-aveugle avec une phase d’apprentissage qui estime conjointement les matrices de code et de canal des utilisateurs, suivie d’une phase aveugle qui récupère leurs symboles
This thesis concerns both the theoretical and constructive resolution of inverse problems for isotropic diffusion equation in planar domains, simply and doubly connected. From partial Cauchy boundary data (potential, flux), we look for those quantities on the remaining part of the boundary, where no information is available, as well as inside the domain. The proposed approach proceed by considering solutions to the diffusion equation as real parts of complex valued solutions to some conjugated Beltrami equation. These particular generalized analytic functions allow to introduce Hardy classes, where the inverse problems is stated as a best constrained approximation issue (bounded extremal problem), and thereby is regularized. Hence, existence and smoothness properties, together with density results of traces on the boundary, ensure well-posedness. An application is studied, to a free boundary problem for magnetically confined plasma in the tokamak Tore Supra (CEA-IRFM Caldarache). The resolution of the approximation problem on a suitable basis of functions (toroidal harmonics) lead to a qualification criterion for the estimated plasma boundary. A descent algorithm makes it decrease, and refines the estimations. The methods do not require any integration of the solution in the overall domain. It furnishes very accurate numerical results, and could be extended to other devices, like JET ou ITER

Ce travail de thèse concerne la modélisation comportementale des systèmes RF MIMO. L'objectif est la prédiction des performances systèmes d'un amplificateur de puissance qui intègre des sous circuits passifs représentés par des paramètres S. L'approche présenté se base sur les techniques de Vector Fitting qui permettant l'approximation rationnelle efficace de donnés fréquentielles. La première application concerne la synthèse équivalente d'un sous circuit passif décrits par des [S] à partir d'éléments simples R, L et C. Cette approche permet dans un simulateur de niveau circuit, d'apporte une alternative aux problèmes de convergence en transitoire d'enveloppe et d'accéder aux performances du circuit face à un stimulus réel. La deuxième application concerne la modélisation et l'implémentation de ces modèles comportementaux dans un environnement système Scilab/Scicos qui permet la résolution de systèmes implicites. La méthode permet d'intégrer des modèles en enveloppe quelque soit le nombre d'accès considérés. Ces modèles permettant d'envisager l'implémentation du modèle topologique d'amplificateur de puissance dans un environnement systèmes
This work concerns the behavioural modelisation of MIMO RF systems. The objective is to predict the power amplifier system performance that integrates into sub-"passive circuits" in which they are presented in S-parameters. This approach is based on Vector Fitting technique permits the effective rational approximation of frequency data. The first application concerns the equivalent synthesis of a sub passive circuit described from [S] parameters and simulated using simple R, L, C elements. This approach allows us to have an alternative solution of the transient envelop convergence problems and to have an access to circuit performances in the presence of real stimulus. The second application concerns the modelisation and implementation of behavioural models in a "Scilab/Scicos" environment, in which, solving an implicit systems becomes a doable task, also, it takes into account the integration of the model nomatter what the number of accesses is. These models permit to implement a power amplifier's topological model in a system environment (Scicos)

Afin de répondre au besoin de capacité dans les réseaux sans fil, les techniques de transmission, et les modèles pour les étudier, ont évolués rapidement. Des communications point à point avec une seule antenne nous sommes passé aux réseaux cellulaires de nos jours: de multiples cellules et de multiples antennes. Progressivement, plusieurs hypothèses ont été faites, soit afin d'avoir des modèles réalistes, mais aussi parfois pour permettre une analyse plus simple. Nous analysons l'impact de trois aspects des réseaux réels. Nous nous concentrons sur le délai dans l'acquisition des coefficients des canaux par l'émetteur puisque sa prise en compte détériore grandement le gain de multiplexage du canal si rien n'est fait pour utiliser efficacement le temps mort au cours duquel les émetteurs ne transmettent pas et n'ont pas encore la connaissance du canal. Nous proposons des schémas de transmission pour utiliser efficacement ce temps mort afin d'améliorer le gain de multiplexage. Dans les réseaux multi-cellulaires, un schéma de transmission optimal est proposé et permet de n'avoir aucune perte de gain de multiplexage même en cas de retard important dans la connaissance de canal. Concernant le nombre d'utilisateurs, nous proposons un nouveau critère pour la sélection des utilisateurs de les configurations à une seule cellule afin de bénéficier de la diversité multi-utilisateurs, et nous proposons deux schémas d'alignement d'interférence pour systèmes multicellulaires afin de bénéficier du fait qu'il y a généralement plusieurs utilisateurs dans chaque cellule. Des schémas bénéficiant de la connectivité partielle pour augmenter le gain de multiplexage sont également proposés
In order to meet ever-growing needs for capacity in wireless networks, transmission techniques and the system models used to study their performances have rapidly evolved. From single-user single-antenna point-to-point communications to modern multi-cell multi-antenna networks there have been large advances in technology. Along the way, several assumptions are made in order to have either more realistic models, but also to allow simpler analysis. We analyze three aspects of actual networks and try to benefit from them when possible or conversely, to mitigate their negative impact. We focus on the delay in the CSI acquisition. Precisely, when taken into account, this delay greatly impairs the channel multiplexing gain if nothing is done to use the dead time during which the transmitters are not transmitting and do not yet have the CSI. We review and propose different schemes to efficiently use this dead time to improve the multiplexing gain in both the BC and the interference channel (IC). We evaluate the more relevant net multiplexing gain, taking intoaccount the training and feedback overhead. Results are surprising because potential schemes to fight delay reveal to be burdened byimpractical overheads in the BC. In the IC, an optimal scheme is proposed. It allows avoiding any loss of multiplexing gain even forsignificant delay in the CSI acquisition. Concerning the number of users, we propose a new criterion for the greedy user selection in a BC to benefit of the multi-user diversity, and two interference alignment schemes for the IC to benefit of having multiple users in each cell. Finally, partially connected cellular networks are considered and schemes to benefit from said partial connectivity to increase the multiplexing gain are proposed

L'évolution de la prospère famille des standards 802.11 a encouragé le développement des technologies appliquées aux réseaux locaux sans fil (WLANs). Pour faire face à la toujours croissante nécessité de rendre possible les communications à très haut débit, les systèmes à antennes multiples (MIMO) sont une solution viable. Ils ont l'avantage d'accroître le débit de transmission sans avoir recours à plus de puissance ou de largeur de bande. Cependant, l'industrie hésite encore à augmenter le nombre d'antennes des portables et des accésoires sans fil. De plus, à l'intérieur des bâtiments, la déficience de rang de la matrice de canal peut se produire dû à la nature de la dispersion des parcours de propagation, ce phénomène est aussi occasionné à l'extérieur par de longues distances de transmission. Ce projet est motivé par les raisons décrites antérieurement, il se veut un étude sur la viabilité des transcepteurs sans fil à large bande capables de régulariser la déficience de rang du canal sans fil. On vise le développement des techniques capables de séparer M signaux co-canal, même avec une seule antenne et à faire une estimation précise du canal. Les solutions décrites dans ce document cherchent à surmonter les difficultés posées par le medium aux transcepteurs sans fil à large bande. Le résultat de cette étude est un algorithme transcepteur approprié aux systèmes MIMO à rang déficient.

L'estimation de canal est un enjeu important pour les systèmes MIMO nécessitant la connaissance du canal à la réception. Elle doit être optimisée en terme de débit et de performance, mais aussi en terme de complexité de mise en œuvre. En effet, pour une transmission MIMO-OFDM cohérente, le récepteur doit estimer non plus un seul canal, comme dans un cas SISO, mais un ensemble de sous-canaux constituant le canal MIMO. Ces études ont permis la proposition de plusieurs estimateurs robustes vis-à-vis des sélectivités du canal MIMO. Ces estimateurs sont caractérisés par un passage dans un domaine de transfert grâce à l’utilisation de fonctions de transfert à base de DFT et de DCT. Ils permettent de réduire la puissance du bruit et de profiter des corrélations temporelle et/ou fréquentielle pour améliorer l’interpolation du canal à partir des sous-porteuses pilotes. Ces estimateurs ont été évalués dans les contextes indoor IEEE802. 11n et outdoor 3GPP et les résultats obtenus montrent qu'ils sont attractifs pour tout récepteur MIMO. Les travaux ont également porté sur la réduction de la complexité des estimateurs proposés. Un module d'estimation de canal a été implémenté sur une plateforme de développement dans un contexte 802. 11n avec 2 antennes d'émission et 2 antennes de réception. Ces travaux sur l'estimation de canal ont également permis d'apporter des améliorations aux systèmes MIMO nécessitant la connaissance du canal à l'émission et à la réception, comme le beamforming ou le SDMA. En effet, ces systèmes nécessitent une phase de récupération de l'information du canal par feedback, et une phase de transmission de données utiles. Des techniques permettant de réduire la durée de la première phase et de prolonger celle de la deuxième phase ont été étudiées afin d’augmenter l’efficacité spectrale de ces systèmes
This thesis aims at studying channel estimation techniques in a MIMO-OFDM wireless context. Channel estimation is a crucial function for MIMO systems which require the knowledge of the channel state information at the receiver side. This function needs to be optimized in terms of throughput and performance, but also in terms of complexity. Indeed, for a coherent MIMO OFDM transmission, the receiver no longer needs to estimate one channel as in a SISO case, but a set of sub-channels, each from one of the transmit antennas to one of the receive antennas, which compose the MIMO channel. The studies conducted during this thesis led to the definition of several estimators robust to any MIMO channel selectivity. These estimators are characterized by the transition of the signal in a transfer domain thanks to the use of transfer function constructed based on DFT and DCT. They allow to reduce the noise power and to benefit from time and frequency correlations to improve channel interpolation using only pilots sub-carriers. These estimators have been evaluated in different contexts, indoor with IEEE_02. 11n systems and outdoor with 3GPP systems. The results demonstrate that these estimators are very attractive for any type of MIMO receivers. A part of this thesis have been focused on the complexity reduction of the proposed estimators. A channel estimation module have been implemented on a development platform in an 802. 11n context with 2 transmit and receive antennas. The studies on channel estimation have also led to improvements for MIMO systems using beamforming or SDMA techniques, which require the knowledge of channel state information both at the receiver and the transmitter. These systems required the existence of two phases, one dedicated to the feedback of channel state information, and another one used to transmit the useful data. Techniques which enable to reduce the duration of the first phase or increase the duration of the second one have been studied. In a general manner, they allow a very significant increase of the spectral efficiency of these systems

Le relayage cognitif multiple-input multiple-output (MIMO) hérite l’efficacité spectrale de la radiocognitive et les systèmes de relayage MIMO, apportant ainsi des gains prometteurs en termes de débit dedonnées et de fiabilité pour les futures communications sans fil et mobiles. Dans cette thèse, nous concevons et évaluons des schémas pratiques d’émetteurs et de récepteurs pour des systèmes de relayage MIMO cognitifs qui peuvent être mis en oeuvre à moindre coût. Tout d'abord, nous réduisons l'affaiblissement du débit du mode half-duplex du relayage MIMO amplify-and-forward non-orthogonale(NAF) large bande avec demande de répétition automatique (ARQ). Différemment des travaux de recherche existants, le protocole de relayage proposé ne nécessite que la durée de transmission d’un seul paquet sur des canaux sélectifs en fréquence. De plus, nous proposons une conception de réception itérative à complexité réduite pour cette classe de protocoles, entraînant ainsi une amélioration significative des performances de transmission de bout-en-bout. Deuxièmement, nous nous concentrons sur les systèmes de relayage cognitive de partage du spectre single-input multiple-output (SIMO) et évaluons l’impact des contraintes d’interférence instantanée et statistique sur la qualité de leur probabilité de coupure. Nos résultats révèlent que l’imposition d’une contrainte statistique sur la puissance d’émission du système secondaire est plus favorable que son adversaire consommatrice de spectre. Troisièmement, nous capitalisons sur notre deuxième contribution pour étudier les systèmes de relayage MIMO decode-and-forward (DF) cognitifs utilisant la sélection d'antenne à l’émission (TAS) ainsi que le maximum-ratio combining (MRC) à la réception. Basés sur la maximisation du rapport signal-sur-bruit (SNR) ou du rapport signal-sur-interférence-plus-bruit (SINR), nos résultats de probabilité de coupure nouvellement dérivés pour les deux stratégies proposées de TAS démontre l’optimalité du système de sélection d’antenne basé sur le SINR par rapport aux effets néfastes d’interférence mutuelle dans les systèmes de relayage MIMO DF cognitifs
Cognitive multiple-input multiple-output (MIMO) relaying inherits the spectrum usage efficiency from both cognitive radio and MIMO relay systems, thereby bearing promising gains in terms of data rate and reliability for future wireless and mobile communications. In this dissertation, we design and evaluate practical transmitter and receiver schemes for cognitive MIMO relay systems that can readily be implemented at a lower cost. First, we reduce the multiplexing loss due the half-duplex operation in non orthogonal amplify-and-forward (NAF) MIMO relay broadband transmissions with automatic repeat request(ARQ). Different from existing research works, the proposed relaying protocol requires only one packet duration to operate over frequency-selective block-fading relay channels. Further, we propose a low complexityiterative receiver design for this class of protocols which results in significant enhancement of the end-to-end transmission performance. Second, we focus on cognitive underlay single-input multiple-output (SIMO) relay systems and evaluate the impact of instantaneous and statistical interference constraints on their outage performance. Our results reveal that imposing a statistical interference constraint on the secondary system transmit power is most favored than its spectrum-consuming counter part. Third, we capitalize on our second contribution to investigate cost-effective transmission schemes for cognitive MIMO decode-and-forward (DF) relaying systems employing transmit-antenna selection (TAS) along with maximum-ratio combining (MRC) at the transmitter and receiver sides, respectively. Driven by maximizing either the received signal-to-noise ratio (SNR) or signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR), our newly derived outage performance results pertaining to both proposed TAS strategies are shown to entail an involved derivation roadmap yet demonstrate the optimality of the SINR-driven TAS against the detrimental effect of mutual interference incognitive MIMO DF relay systems

Cette thèse traite certains aspects liés à deux scenarios dans lesquels des techniques MIMO peuvent être implémentées : - Nous nous intéressons d'abord à la voie descendante d'une cellule isolée où une station de base (SB) dotée de plusieurs antennes sert des utilisateurs mono-antenne. Dans un tel système, la connaissance du canal au niveau de l'émetteur joue un rôle particulièrement important. Vus cette importance et le fait que l'acquisition de cette connaissance nécessite l'usage de ressources en voie ascendante, nous contribuons deux idées pour bénéficier au mieux de la ressource dédiée au feedback : la première consiste en une procédure de transmission en deux étapes, la deuxième est une stratégie décentralisée dans laquelle chaque utilisateur varie le nombre de bits utilisés pour quantifier le canal en maintenant un débit moyen. - Ensuite, des scenarios multicellulaires sont considérés où des techniques MIMO peuvent améliorer la performance quand la totalité du spectre est réutilisée dans chaque cellule. Ainsi l'incorporation de plusieurs antennes au niveau d'une SB permet d'atténuer l'interférence causée au niveau des cellules voisines. Une stratégie de précodage est proposée qui nécessite une connaissance locale du canal seulement qui dans de nombreux cas a une performance analogue à celles de stratégies centralisées ou itératives. Les techniques MIMO peuvent également être étendues au traitement conjoint des signaux (multicell processing). Nous commençons à examiner le traitement des limitations liées aux coûts en termes de backhaul pour le partage des données à envoyer et de l'information sur le canal.

Ce mémoire est scindé en deux parties. La première partie traite de l'estimation de l'optimum combiner. Traditionnellement, l'optimum combiner est estimé à travers l'estimation du canal du signal désiré et la matrice de covariance de l'interférence plus bruit. Dans cette première partie, on propose d'estimer l'optimum combiner à travers l'estimation de deux filtres séparés, à savoir un filtre qui suppose que la transmission est sans bruit (ce filtre prend en compte l'interférence mais pas le bruit) et un filtre qui suppose que la transmission est sans interférences (ce filtre prend en compte le bruit mais pas l'interférence). Néanmoins ce type d'estimation reste optimal seulement dans le cas où le récepteur est composé de deux antennes et/ou la transmission n'est perturbée que par une seule source d'interférence, indépendamment du nombre d'antennes. Le cas d'une transmission avec un récepteur à deux antennes et une source d'interférence est simulé puis implémenté sur une cible type DSP en virgule fixe au format 16 bits.La deuxième partie est dédiée à l'estimation aveugle du canal où deux méthodes sont proposées. Ces deux méthodes sont basées sur les moments d'ordre supérieurs. La première méthode est une extension de l'algorithme de Viterbi & Viterbi avec résolution de l'ambiguïté inter sous-porteuses, pour le cas d'une transmission basée sur une forme d'onde OFDM. La deuxième méthode est construite autour du principe de l'auto déconvolution. On propose aussi dans cette partie une extension aux systèmes MIMO par l'introduction d'un précodage et d'un postcodage spatio-temporel adapté à la méthode d'estimation du canal et au type de la transmission. Enfin une étude de cas d'utilisation de cette extension MIMO est donnée pour un système de transmission basé sur le standard IEEE 802.11
This thesis is split into two parts. The first part deals with the estimation of the optimum combiner. Traditionally, the optimum combiner is estimated through the estimation of both the desired signal channel and the covariance matrix of interference plus noise.In this first part, we propose to estimate the optimum combiner by estimating two separate filters, namely a filter which assumes that the transmission is noiseless (taking into account the interference but not the noise) and a filter which assumes that the transmission is no interfered (taking into account the noise but not the interference). However this method of estimation is optimal only in the case where the receiver has two antennas and/or transmission undergone a single source of interference regardless of the number of antennas. The case of a transmission with a receiver equipped with two antennas and interfered by a single source of interference, is simulated and implemented on a fixed-point DSP target in 16 bit format.The second part is dedicated to the blind channel estimation where two methods are proposed. Both methods are based on the higher order moments. The first method can be viewed as an extension of the Viterbi & Viterbi algorithm, with inter subcarrier ambiguity solving, for the case of an OFDM waveform. The second method is built around the principle of self deconvolution. In this section, an extension to MIMO systems based on a space-time pre-coding and postcoding is introduced. Finally a case of application of this extension, for a MIMO transmission system based on the IEEE 802.11 standard, is analysed and simulated

L'exploitation, le contrôle et la signalisation des systèmes de métros modernes et en particulier les métros sans conducteur, reposent sur deux familles de systèmes de communication radio sans fil : les transmissions vitales pour la signalisation et le contrôle des trains à faible débit et les transmissions non vitales très haut débit pour la vidéo surveillance embarquée, le télé-diagnostic,l'information des clients, etc. Lors de la mise en œuvre de tels systèmes de transmission, l'industriel doit donc garantir à l'exploitant de métro des performances concernant les débits et la qualité de la transmission en termes de perte de paquets d'information. Dès lors, appréhender le comportement du canal de propagation est un élément clé pour prédire et améliorer les performances des systèmes de transmission.L'objectif de ces travaux de thèse est double et concerne :• D'une part, la réduction des temps de calcul d'un simulateur de canal à tracé de rayons 3D qui prédit avec précision le comportement du canal de propagation, mais reste coûteux en temps de calculs pour les simulations dynamiques. Nous proposons dans cette thèse une méthode qui s'appuie sur trois critères de visibilité pour simplifier la description de lagéométrie de l'environnement sans pénaliser la prédiction des paramètres caractéristiques du canal de propagation ;• D'autre part, la mise en œuvre d'un nouveau modèle de canal de propagation MIMO dynamique en tunnel rectiligne de section rectangulaire qui permettra d'optimiser des systèmes de transmission multi antennaires (MIMO) pour des applications de transmissions sans fil pour les métros en tunnel. Ce modèle s'inspire globalement du modèle de canal utilisé
The exploitation, control and signalling systems for metro and especially modern driverless metros, are based on two families of radio communication systems Wireless : vital transmissions for signalling and train control low-flow and nonvital transmissions with very high bandwidth for video-tracking systems, telediagnosis, customer information, etc.. During the implementation ofsuch transmission systems, the industrial must therefore ensure the metro operator performance on throughput and transmission quality in terms of packet loss information. Therefore, understanding the behavior of the propagation channel is a key to predict and improve performance of transmission systems.The aim of this thesis is twin and concerns :• On the one hand, the computation time reduction of a 3D ray tracing simulator that accurately predicts the behavior of the propagation channel, but it is expensive in times of calculation for dynamic simulations. We propose here a new method based on three visibility criteria to simplify the geometry description of the environment without degrading the characteristic parameters prediction of the propagation channel ;• On the other hand, the construction of a new model for MIMO propagation channel dynamics in straight tunnel of rectangular section which will optimize transmission systems multi-antennary (MIMO) applications for wireless transmission in metros tunnel. This model draws broadly from the channel model used in the standard WINNER and is fed by the results extracted from the 3D ray tracing channel simulator. The results obtained in this thesis are encouraging and offer many opportunities