Over the last few years, wireless cellular communications has experienced rapid growth in the demand for provision of high data rate wireless multimedia services. This fact motivates the need to find ways to improve the spectrum efficiency of wireless communication systems. Smart or adaptive antennas have emerged as a promising technology to enhance the spectrum efficiency of present and future wireless communications systems by exploiting the spatial domain. The aim of this thesis is to investigate smart antenna applications for Direct Sequence Code Division Multiple Access (DS-CDMA) systems. CDMA is chosen as the platform for this thesis work since it has been adopted as the air-interface technology by the Third Generation (3G) wireless communication systems. The main role of smart antennas is to mitigate Multiple Access Interference (MAI) by beamforming (i.e. spatial filtering) operation. Therefore, irrespective of a particular wireless communication system, it is important to consider whether a chosen array configuration will enable optimal performance. In this thesis an initial assessment is carried out considering linear and circular array of dipoles, that can be part of a base station antenna system. A unified and systematic approach is proposed to analyse and compare the interference rejection capabilities of the two array configurations in terms of the Signal to Interference Ratio (SIR) at the array output. The theoretical framework is then extended to include the effect of mutual coupling, which is modelled using both analytical and simulation methods. Results show that when the performance is averaged over all angles of arrival and mutual coupling is negligible, linear arrays show similar performance as circular arrays. Thus in the remaining part of this thesis, only linear arrays are considered. In order to properly evaluate the performance of smart antenna systems, a realistic channel model is required that takes into account both temporal and spatial propagation characteristics of the wireless channel. In this regard, a novel parameterized physical channel model is proposed in this thesis. The new model incorporates parameters such as user mobility, azimuth angle of arrival, angle spread and Doppler frequency, which have critical influence on the performance of smart antennas. A mathematical formulation of the channel model is presented and the proposed model is implemented in software using Matlab. The statistics of the simulated channels are analysed and compared with theory to confirm that the proposed model can accurately simulate Rayleigh and Rician fading characteristics. To assist system planners in the design and deployment of smart antennas, it is important to develop robust analytical tools to assess the impact of smart antennas on cellular systems. In this thesis an analytical model is presented for evaluating the Bit Error Rate (BER) of a DS-CDMA system employing an array antenna operating in Rayleigh and Rician fading environments. The DS-CDMA system is assumed to employ noncoherent M-ary orthogonal modulation, which is relevant to IS-95 CDMA and cdma2000. Using the analytical model, an expression of the Signal to Interference plus Noise Ratio (SINR) at the output of the smart antenna receiver is derived, which allows the BER to be evaluated using a closed-form expression. The proposed model is shown to provide good agreement with the (computationally intensive) Monte Carlo simulation results and can be used to rapidly calculate the system performance for suburban and urban fading environments. In addition to MAI, the performance of CDMA systems is limited by fast fading. In this context, a hybrid scheme of beamforming and diversity called Hierarchical Beamforming (HBF) is investigated in this thesis to jointly combat MAI and fading. The main idea behind HBF is to divide the antenna elements into widely separated groups to form subbeamforming arrays. The performance of a hierarchical beamforming receiver, applied to an IS-95 CDMA system, is compared with smart antenna (conventional beamforming) receiver and the effect of varying the system and channel parameters is studied. The simulation results show that the performance of hierarchical beamforming is sensitive to the operating conditions, especially the value of the azimuth angle spread. The work presented in this thesis has been published in part in several journals and refereed conference papers, which reflects the originality and significance of the thesis contributions.

Abstract This thesis focuses on two important challenges in wireless downlink transmission: multi-user (MU) precoder design and scheduling of users over time, frequency, and spatial resources at any given instant. Data streams intended for different users are transmitted by a multiple-input multiple-output (MIMO) multi-antenna orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system. The transmit precoders are designed jointly across space-frequency resources to minimize the number of backlogged packets waiting at the coordinating base stations (BSs), thereby implicitly performing user scheduling. Then the problem of multicast beamformer design is considered wherein a subset of users belonging to a multicasting group are served by a common group-specific data. The design objective is to either minimize the transmit power for a guaranteed quality-of-service, or to maximize the minimum achievable rate among users for a given transmit power. Unlike existing techniques, the proposed design utilizes both the spatial and frequency resources jointly while designing multi-group beamformers. As an extension to coordinated precoding, the problem of beamformer design for cloud radio access network is considered wherein beamformers are designed centrally, quantized and sent along with data to the respective BSs via backhaul. Since the users can be served by multiple BSs, beamformer design becomes a nonconvex combinatorial problem. Unlike existing solutions, beamformer overhead is also included in the backhaul utilization along with the associated data. As the number of antennas increases, backhaul utilization is dominated by the beamformers. Thus, to reduce the overhead, two techniques are proposed: varying the quantization precision, and reducing the number of active antennas used for transmission. Finally, to reduce the complexity involved in the design of joint space- frequency approach, a two-step procedure is proposed, where a MU-MIMO scheduling algorithm is employed to find a subset of users for each scheduling block. The precoders are then designed only for the chosen users, thus reducing the complexity without compromising much on the throughput. In contrast to the null-space-based existing techniques, a low-complexity scheduling algorithm is proposed based on vector projections. The real-time performance of all the schedulers are evaluated by implementing them on both Xilinx ZYNQ-ZC702 system-on-chip (SoC) and TI TCI6636K2H multi-core SoC. / Tiivistelmä Tässä väitöskirjassa keskitytään kahteen tärkeään langattoman tiedonsiirron haasteeseen alalinkkilähetyksissä: usean käyttäjän (MU) esikooderisuunnitteluun ja käyttäjien skedulointiin aika-, taajuus- ja tilaresurssien yli. Eri käyttäjille tarkoitettuja datavirtoja lähetetään käyttämällä monitulo-monilähtötekniikkaa (MIMO) yhdistettynä monikantoaaltomodulointiin (OFDM). Lähettimien esikooderit suunnitellaan yhteisesti tila- ja taajuusresurssien yli, jotta keskenään yhteistoiminnallisten tukiasemien jonossa olevien pakettien määrää voitaisiin minimoida samalla kun tehdään epäsuorasti käyttäjien skedulointia. Tämän jälkeen työssä paneudutaan monilähetysten (multicast) keilanmuodostussuunnitteluun, jossa monilähetysryhmään kuuluvien käyttäjien alijoukolle lähetetään yhteistä ryhmäspesifistä dataa. Suunnittelun päämääränä on joko minimoida kokonaislähetysteho tietyllä palvelunlaatuvaatimuksella tai maksimoida pienin saavutettavissa oleva siirtonopeus käyttäjien joukossa tietyllä lähetysteholla. Toisin kuin olemassa olevat menetelmät, ehdotetussa mallissa käytetään yhteisesti sekä aika- että taajuusresursseja usean ryhmän keilanmuodostusta suunniteltaessa. Laajennuksena yhteistoiminnalliselle esikoodaukselle, väitöskirjassa käsitellään myös keilanmuodostusta pilvipohjaisessa radioliityntäverkkoarkkitehtuurissa. Keilanmuodostajat suunnitellaan keskitetysti, kvantisoidaan ja lähetetään datan mukana tukiasemille käyttäen runkoverkkoyhteyttä. Koska käyttäjiä voidaan palvella usealta tukiasemalta, keilanmuodostussuunnittelu muuttuu ei-konveksiksi kombinatoriseksi ongelmaksi. Toisin kuin olemassa olevissa ratkaisuissa, ehdotettu malli sisällyttää käyttäjien datan lisäksi keilanmuodostajien resursoinnin tarpeen runkoverkkoon. Tukiaseman antennien määrän lisääntyessä, keilanmuodostajien osuus runkoverkon käyttöasteesta kasvaa suureksi. Jotta keilanmuodostajien aiheuttamaa ylimääräistä tiedonsiirtotarvetta voitaisiin minimoida, esitellään kaksi tekniikkaa: kvantisointitarkkuuden muunteleminen sekä lähetykseen käytettävien aktiivisten antennien määrän vähentäminen. Lopuksi, jotta yhdistetyn tila-taajuussuunnittelun aiheuttamaa kompleksisuutta saataisiin vähennettyä, ehdotetaan kaksivaiheista menetelmää. MU-MIMO skedulointialgoritmin avulla etsitään ensin alijoukko käyttäjiä jokaiselle skedulointilohkolle. Esikooderit suunnitellaan vain valituille käyttäjille, mikä vähentää kompleksisuutta, heikentämättä suorituskykyä kuitenkaan olennaisesti. Poiketen nolla-avaruuteen perustuvista tekniikoista, esitetään yksinkertainen vektoriprojektioihin perustuva skeduleri. Kaikkien skedulerien reaaliaikasuorituskykyä on arvioitu toteuttamalla ne ohjelmoitavilla Xilinx ZYNQ-ZC702 system-on-chip (SoC) ja TI TCI6636K2H moniydinalustoilla.

Dans l'océan, les changements de température induisent des perturbations de la vitesse de propagation des ondes acoustiques. La tomographie acoustique océanique utilise les fluctuations de signaux acoustiques enregistrés pour cartographier ces perturbations de vitesse du son. Cette étude propose une méthode alternative utilisant la direction de propagation des ondes acoustiques (plutôt que les temps de propagation utilisés classiquement) pour imager un guide d'onde océanique peu profond (~100 m), petite échelle (1 à 10 km), avec une haute résolution spatiale (10 m horizontalement, 2 m en profondeur). Dans ce contexte, les ondes acoustiques basse fréquence (~1 kHz) à large bande spectrale (~1.5 kHz) se propagent selon des trajectoires multiples assimilables à des rayons géométriques épais spatialement. L'utilisation d'un couple d'antennes (émission/réception) et de la double formation de voies permet de séparer les signaux en provenance des différents trajets acoustiques et de mesurer leur : temps de propagation (TP), direction d'arrivée (DA) et direction de départ (DD). Dans l'hypothèse de faibles perturbations, les variations des TP, DA et DD sont reliées linéairement aux perturbations de la distribution de vitesse du son de manière analytique. Cette formulation, basée sur la physique de la diffraction de Born au 1er ordre, utilise des fonctions noyaux appelées : noyaux de sensibilité temps-angles (NSTA). Les méthodes classiques d'inversion permettent alors de retrouver les perturbations de vitesse à partir des variations de TP, DA et DD en utilisant les NSTA. Les méthodes développées ont été validées sur données simulées, puis appliquées à des données réelles d'expériences à échelle réduites réalisées dans la cuve ultrasonore de l'ISTerre, Grenoble. / In the ocean, temperature changes induce sound-speed perturbations. Ocean acoustic tomography uses the fluctuations of recorded acoustic signals, to map those sound-speed perturbations. To this end, sound-speed perturbations are classically related to the acoustic-wave travel-times measured on the records. This study suggests an alternative method to perform acoustic thermometry based on acoustic-wave propagation directions. It allows imaging a shallow-water waveguide (~100 m), at small scale (1 to 10 km), with high spatial resolution (10 m in range, 2 m in depth). In this context, wideband (~1.5 kHz) low frequency (~1 kHz) acoustic waves propagates along multiple paths similar to spatially « fat » geometrical rays. Using a pair of arrays (source/receiver) and the double-beamforming processing to separate acoustic signals coming from different paths and measure their: travel-time (TT), directions-of-arrival (DOA) and directions-of-departure (DOD). Under the hypothesis of small perturbations, TP, DOA and DOD variations are linearly related to sound-speed perturbations in an analytical way. This formulation based on Born's diffraction physics at the first order uses kernel functions called: the time-angle sensitivity kernels (T-A-SK). The T-A-SK model is then combined to classical inversion methods to retrieve sound-speed perturbations from TT, DOA and DOD variations. The methods developed here have been validated on simulated data, and applied on real small-scale data coming from the ultrasonic tank of the ISTerre, Grenoble.

Abstract This thesis concentrates on evaluating and improving the throughput performances of mobile users in high speed vehicles. In particular, high speed train (HST) scenarios are considered. Emphasis is placed on practical designs and methods that take into account distinctive HST characteristics. A two-hop communication link, i.e., base station (BS)-to-HST and HST-to-onboard users (OBUs) is adopted. The main target is to improve the throughput performance on the BS-to-HST communication link, which is assumed to be the main bottleneck in the whole communication link, since the HST-to-OBU communication link is assumed to have good channel quality due to the short link distance with relatively stationary OBUs. The algorithms developed are assessed through link and system level simulations. A theoretical and practical study of the throughput maximization problem in a single and multi-cell multiple-input multiple-output orthogonal frequency-division multiplexing (MIMO-OFDM) train scenario are considered with and without cooperation between train carriages. Two low-complexity transmission schemes based on simple antenna selection (AS) methods with spatial multiplexing (SM) are proposed. The simulation results demonstrate that large antenna arrays with AS and SM transmission strategies have the potential to significantly improve the throughput of the BS-to-train link in HST scenarios. Resource sharing methodologies between the moving relay nodes (MRNs) on the HST and ground macro users (GMUs) were also studied in a multi-cell MIMO-OFDM train scenario. Direct application of existing resource scheduling methods will not be appropriate to efficiently and fairly share resources, since the MRNs and the GMUs have different processing capabilities. Hence, two hybrid resource scheduling methods are analyzed in conjunction with joint and disjoint resource management. The tradeoff between the number of MRNs and receive antennas that should be installed on an HST was also examined in the context of throughput performance and capital expenditure. Results show that joint scheduling does not provide the best overall performance and there is a need to schedule each group of mobile terminals (MTs) separately. Finally, the feasibility of the use of higher frequency bands (HFBs) was examined in HST scenarios. A timer-based beam selection scheme for HST, which does not require any training time to select the appropriate beam is also proposed. The proposed beam selection scheme (PBSS) displays a close performance to the ideal singular value decomposition (SVD) scheme. / Tiivistelmä Tämä väitöskirja keskittyy mobiilikäyttäjien tiedonsiirtonopeuksien arviointiin ja parantamiseen nopeasti liikkuvissa kulkuneuvoissa. Työ käsittelee erityisesti tiedonsiirtoa suurnopeusjunissa. Työssä korostetaan käytännön menetelmiä, jotka ottavat huomioon nopeasti liikkuvien junien tiedonsiirron erityispiirteet. Työssä käytetään kahden hypyn linkkimallia, jossa tiedonsiirto kulkee tukiasemalta junaan ja junasta käyttäjälle, joka on junassa. Päätavoite on parantaa datanopeuksia tukiaseman ja junan välisessä tiedonsiirtolinkissä, jonka uskotaan olevan suurin pullonkaula koko tiedonsiirtolinkissä, koska junan ja lähes paikallaan olevan käyttäjän välinen kanava voidaan olettaa hyvälaatuiseksi linkin lyhyyden vuoksi. Kehitettyjen algoritmien suorituskykyä arvioidaan linkki- ja järjestelmätason simulaatioilla. Työssä tutkitaan tiedonsiirtonopeuden maksimointiongelmaa teoreettisella ja käytännön tasolla yhden ja usean solun MIMO OFDM junaskenaarioissa, joissa junan vaunut tekevät tai eivät tee yhteistyötä. Työssä esitetään kaksi alhaisen kompleksisuuden lähetysmenetelmää, jotka hyödyntävät yksinkertaista antennin valintamenetelmää ja tilatason multipleksointia. Simulointitulokset osoittavat, että suuret antenniryhmät, jotka hyödyntävät näitä lähetysmenetelmiä, voivat parantaa merkittävästi tiedonsiirtonopeutta tukiasemalta junaan päin. Työssä tutkitaan myös resurssien jakomenetelmiä liikkuvien junassa olevien releiden ja maatason makrokäyttäjien välillä monen solun MIMO-OFDM junaskenaariossa. Nykyisten resurssinhallintamenetelmien käyttö ei ole suoraan mahdollista tehokasta ja oikeudenmukaista resurssien jakoa, koska releillä ja makrokäyttäjillä on erilaiset prosessointikyvyt. Tämän vuoksi työssä analysoidaan kahta hybridimenetelmään resurssien skeduloinnille. Tutkimukset selventävät tasapainoa releiden lukumäärän ja junaan asennettavien vastaanotinantennien välillä tiedonsiirtonopeuden ja kustannusten osalta. Tulokset osoittavat, että yhteinen resurssien jako ei saavuta parasta suorituskykyä, eikä ole tarvetta ajoittaa jokaista matkaviestinterminaaliryhmää erikseen. Lopuksi työssä tutkitaan korkeampien taajuusalueiden soveltuvuutta tiedonsiirtoon suurnopeusjunissa. Työssä ehdotetaan ajastinpohjaista keilanvalintamenetelmää, joka ei vaadi opetusjaksoa sopivan keilan valintaan. Ehdotetun menetelmän saavuttama suorituskyky on lähellä ideaalisen singulaariarvohajotelmaa hyödyntävän menetelmän suorituskykyä.

Le secteur des transports ferroviaires en France est marqué par un dynamisme lié notamment à l'essor du réseau à grande vitesse et à la réimplantation du tramway dans de nombreuses agglomérations. Dans ce contexte, la réduction des nuisances sonores apparaît comme un enjeu majeur pour son développement. Afin d'agir efficacement à la source, il est indispensable d'identifier et d'étudier précisément les sources responsables de ces nuisances au passage des véhicules. Parmi les approches possibles, les antennes microphoniques et les traitements associés sont particulièrement adaptés à la caractérisation des sources ponctuelles mobiles, omnidirectionnelles et décorrélées.Pour les vitesses inférieures à 300 km/h, le bruit de roulement constitue la source principale du bruit ferroviaire ; il résulte du rayonnement acoustique des éléments tels que les roues, le rail et les traverses. Le rail, dont la contribution au bruit de roulement est prépondérante aux moyennes fréquences (entre 500 He et 1000 Hz environ), est une source étendue et cohérente pour laquelle les principes classiques de traitement d'antenne ne sont pas adaptés.La méthode de caractérisation proposée dans cette thèse est une méthode inverse d'optimisation paramétrique utilisant les signaux acoustiques issus d'une antenne microphonique. Les paramètres inconnus d'un modèle vibro-acoustique sont estimés par minimisation d'un critère des moindres carrés sur les matrices spectrales mesurée et modélisée au niveau de l'antenne. Dans le modèle vibro-acoustique, le rail est assimilé à un monopôle cylindrique dont la distribution longitudinale d'amplitude est liée à celle des vitesses vibratoires. Pour le calcul de ces vitesses, les différents modèles proposés mettent en évidence des ondes vibratoires se propageant dans le rail de part et d'autre de chaque excitation. Chacune de ces ondes est caractérisée par une amplitude au niveau de l'excitation, un nombre d'onde structural réel et une atténuation. Ces paramètres sont estimés par minimisation du critère, puis utilisés pour reconstruire le champ acoustique.Dans un premier temps, des simulations sont réalisées pour juger des performances de la méthode proposée, dans le cas d'excitations ponctuelles verticales. En particulier, sa robustesse est testée en présence de bruit ou d'incertitudes sur les paramètres supposés connus du modèle. Les effets de l'utilisation de modèles dégradés sont également étudiés. Concernant l'estimation des amplitudes, les résultats ont montré que la méthode est particulièrement robuste et efficace pour les excitations les plus proches de l'antenne. En revanche, pour l'estimation des autres paramètres, les performances sont supérieures pour les positions d'antenne excentrées. De manière générale, le nombre d'onde est correctement estimé sur l'ensemble des fréquences étudiées. Dans les cas à faible atténuation, un traitement classique par formation de voies en ondes planes suffit. En ce qui concerne l'estimation de l'atténuation, la faible sensibilité du critère limite l'efficacité de la méthode proposée.Enfin, certains résultats obtenus à partir des simulations ont été vérifiés lors de mesures in situ. L'excitation d'un rail expérimental par un marteau de chocs a tout d'abord permis de valider le modèle vibratoire pour la flexion verticale. Pour tester la méthode d'optimisation paramétrique, le rail a également été excité verticalement à l'aide d'un pot vibrant. Les principaux résultats des simulations ont été retrouvés, et des comportements particuliers relatifs à la présence de plusieurs ondes dans le rail ont été observés, ouvrant des perspectives de généralisation du modèle vibratoire utilisé. / In France, railway transport has been boosted by the expansion of the high-speed rail service and the resurgent implantation of tram networks in many city centers. In this context, the reduction of noise pollution becomes a crucial issue for its development. In order to directly act on the source area, it is necessary to precisely identify and study the sources responsible for this nuisance at train pass-by. Among all the potential approaches, microphone arrays and related signal processing techniques are particularly adapted to the characterization of omnidirectional and uncorrelated moving point sources. For speeds up to 300 km/h, rolling noise is the main railway noise source. It arises from the acoustic radiation of various elements such as wheels, rail or sleepers. The rail, which mainly contributes to rolling noise at mid-frequencies (from 500 Hz to 1000 Hz approximately), is an extended coherent source for which classical array processing methods are inappropriate. The characterization method proposed in this thesis is an inverse parametric optimization method that uses the acoustical signals measured by a microphone array. The unknown parameters of a vibro-acoustical model are estimated through the minimization of a least square criterion applied to the entries of the measured and modelled spectral matrices. In this vibro-acoustical model, the rail is considered as a cylindrical monopole whose lengthwise amplitude distribution is obtained from the vibratory velocity one. The different models proposed to obtain this velocity highlight the propagation of vibration waves towards both sides of every forcing point. Each wave is characterized by an amplitude at the forcing point, a real structural wavenumber and a decay rate. These parameters are estimated by the minimization of the least square criterion, and are then used in the vibro-acoustical model to rebuild the acoustical field radiated by the rail. First, simulations are performed in order to appraise the performances of the proposed method, in the case of vertical point excitations. In particular, its robustness to additive noise and to uncertainties in the model parameters that are supposed to be known is tested. The effect of using simplified models is also investigated. Results show that the method is efficient and robust for the amplitude estimation of the nearest contacts to the array. On the other hand, the estimation of the other parameters is improved when the array is shifted away from the contact points. The wavenumber is generally well estimated over the entire frequency range, and when the decay rate is low, a single beamforming technique may be sufficient. Concerning the decay rate estimation, the efficiency of the method is limited by the low sensitivity of the criterion. At last, measurements are performed in order to verify some results obtained from the simulations. The vibratory model is first validated for the vertical flexural waves trough the use of an impact hammer. Then, the parametric optimization method is tested by the vertical excitation of the rail with a modal shaker. The main simulation results are found, and some particular behavior due to other waves existing in the rail can be observed, opening the perspective of a generalized method including more complex vibratory modelings.

Microwave Photonics(MWP) has been defined as the study of photonic devices which operate at microwave frequencies and also their applications to microwave and optical systems. One or more electrical signals at microwave frequencies are transported over the optic link ,with electrical to optical and optical to electrical conversion on the transmission and receiving side respectively. The key advantages of microwave photonic links over conventional electrical transmission systems such as coaxial cables or waveguides ,includes reduced size, weight and cost, immunity to electromagnetic interference ,low dispersion and high data transfer capacity. Integrated Optics is the name given to a new generation of opto-electronic systems in which the familiar wires and cables are replaced by light-waveguiding optical fibers, and conventional integrated circuits are replaced by optical integrated circuits (OICs).Microwave Photonics with photonic integration can add the benefits of reduction in system size, losses, short path lengths leading to more efficient cost effective systems. In this thesis, a new approach for using 1-D linear arrays of curved waveguides as delay lines is presented. We propose a design for a passive phase shifter obtained by curved waveguide delay lines. The modulated RF signal obtains the phase shift in the optical domain which is transferred to the RF signal by heterodyning techniques .This phase shift is independent of the RF frequency and hence the Beam squinting which occurs in the conventional RF phase shifter systems is avoided in the proposed system. Switching between different lengths of the bent/curved waveguides can produce variable phase shifts ranging from 0 to 2 radians. The use of curved waveguides for delay generation and optimization of various parameters are the main topics of the research problem. The need for delay line is large and most of these were implemented previously using long optical fiber cables. More precise delays could be obtained by using waveguide delay lines as compared to fiber delay lines. Waveguides paves way for design in smaller dimensions ranging from m to nm in integrated optics. The differential phase shift for a signal propagating in a waveguide from waveguide theory is given as which clearly indicates that the differential phase shifts could be obtained in accordance with differential path lengths Δl with β as the propagation constant. S-bend waveguide sections of different lengths along with straight waveguide as reference for each section are employed. The phase delay is passively obtained by a differential path length change, where various phase shift values can be obtained by switching between different differential path lengths. Since the optical phase delay generated is in- dependent of the input RF frequency. A shift in the RF frequency, at the input will not change the phase or beam pointing angle when the phase shifter is employed for beam pointing in case of Phased Array Antenna applications. A 1-bit phase shifter is the firrst step in the design which could be further extended to n-bit phase shifter. Here 1-bit or n-bit ,is one where n can take any integer value. Each bit is composed of a reference phase signal pathway and a delayed phase signal pathway. When the optical signal goes every single bit through the reference phase the phase shift is ‘0’ radians ,the other is through the delayed path which is . For every n-bit, 2n delays can be obtained. For the 1-bit,2 delays are obtained. Switching between the path lengths is done using the directional coupler switches. Th optimization of different parameters of the S-bend waveguide delay line has been realized and studied. The design and optimisation of a 1-bit optical RF phase shifter is discussed which could be extended to n-bit phase shifters. These S-bends are studied analytically. Beam Propagation Method (BPM)is employed for modeling and simulation of the proposed device. An interferometric configuration is considered for practical measurement of optical phase. In this configuration the phase change is translated into amplitude or intensity measurement. One of the arms of the Maczehdner Interferometer has no path length change while the other arm has an S-bend structure which provides the path length difference as compared to the reference path, and hence produces the necessary phase shift at the output of the interferometer as required. By changing the path length difference between the two arms of the interferometer ,a change in intensity is produced at the output of the interferometer. In this study, integrated optic curved waveguide delay line phase shifters are designed and analyzed, considering the Titanium Di used Lithium Niobate Technology. This is because it has good electro-optic properties necessary for designing switches used for switching between delay segments. Practical parameters that can be fabricated are employed in the design and simulation studies reported here. Fabrication is also done using the Lithium Niobate Technology. However the fabrication studies are excluded from the main stream, as further fabrication studies are necessary to realise the actual devices de- signed. The fabrication aspects are left as scope for further development. The fabricated devices are shown as appendix to the thesis. Organisation of the thesis Chapter 1 gives the introduction to the fields of Microwave Photonics and Integrated optics and its applications. Chapter 2discusses the curved waveguide theory and design with coverage of materials and methods employed in the proposed system. Chapter 3 discusses the different types of delay lines and the design of the 1-bit phase shifter which can be extended to the design of a n-bit phase shifter with both analytical and simulation results. Chapter 4 discusses the method of phase measurement for the n-bit phase shifter and the possible applications where the phase shifter could be employed. Chapter 5 discusses conclusions and future work in the proposed area of work. Appendix A discusses the loss calculations for the Cosine S-bend waveguide. Appendix B gives the fabrication details. The references form the end part of the thesis.

Les travaux de cette thèse s’intéressent à un nouveau concept d’antenne reconfigurable offrant un bon compromis entre performances, complexité et coût. Ce concept, qualifié d’hybride, vise à combiner les avantages des réseaux d’antennes lacunaires et des antennes à éléments parasites. Cette hybridation est une alternative à la complexité des réseaux d’antennes conventionnels pour répondre aux exigences d’une architecture modulaire, générique et reconfigurable. L’intérêt majeur de ce concept est de proposer une architecture d’antenne permettant de réduire la complexité du circuit de formation des faisceaux (par la réduction du nombre d’éléments rayonnants à alimenter) tout en adressant les problématiques d’adaptation (TOS actif) des éléments excités. Ceci est permis grâce à la présence d’éléments parasites qui permettent de gérer la diffusion des couplages sur l’antenne. Cette thèse décrit le principe du concept hybride et propose une évaluation de ses potentialités. Par la suite, une définition des éléments à mettre en œuvre pour réaliser une preuve de concept est effectuée, en mettant l’accent sur l’importance de la caractérisation expérimentale. Les performances d’un prototype d’antenne hybride reconfigurable sont ensuite présentées afin de valider les développements et conclure sur cette solution innovante. / The work of this thesis aims to investigate a new concept of reconfigurable antenna allowing a good trade-off between performances, complexity and cost. This concept is called ‘hybrid’ because it is based on the capabilities of thinned arrays and parasitic element antennas. It is an alternative to classical antenna arrays and their complexity. The proposed concept has a modular architecture, and a good versatility for reconfigurable beams. The main advantage of this hybrid antenna is the simplicity of its beam formation network (BFN) which requires only a few number of excited elements. The antenna uses parasitic elements to manage the effects of couplings between the electromagnetic access. The problematic of active VSWR is also solved at the antenna level, avoiding the use of additional components in the BFN. This work details the principle of the reconfigurable hybrid antenna concept. The potentialities are evaluated. The elements required to realize a proof of concept are then defined, using a dedicated experimental setup. A prototype is manufactured and the performances have been checked to validate this innovative concept.

Les antennes à pointage électronique présentent des avantages significatifs dans les systèmes de communication sans fil. Malgré cela elles ne sont toujours pas implantées dans l'industrie automobile. En effet, l'espace limité et le toit en grande partie métallique freinent l’utilisation de ces aériens dans ce contexte contraint. De nombreux défis restent à relever pour concevoir un système efficace, peu encombrant, faible coût et permettant de rayonner sur 360°. L’objectif de cette thèse est donc la mise au point d’une antenne à balayage électronique pour application automobile fonctionnant dans la bande LTE. Un système de «type MIMO » est proposé. Une antenne à résonateur diélectrique efficace, multi-bandes et efficace est conçue selon une procédure de développement spécifique. Un déphaseur accordable est également mis au point et réalisé. Il utilise des commutateurs et un condensateur variable. Un déphasage de 360 degrés est obtenu, le dispositif est commandé électriquement. L’antenne et le déphaseur sont ensuite associés dans un système complet fonctionnant dans la bande LTE. Celui-ci utilise deux antennes identiques, une seule étant alimentée. Ce système complet est mesuré seul et sur le véhicule. Les résultats obtenus sont prometteurs et permettent d’envisager, moyennant quelques améliorations, une exploitation industrielle. Les études menées pour aboutir à ce dispositif sont détaillées dans le manuscrit. / Even though beam steering technology has significant advantages in wireless communication systems, it is still not implemented in the automotive industry. Indeed, the limited space and the large metal sheet on the rooftop are the challenges for such system. This thesis is focused on the design of the LTE beam steering antenna based on a MIMO system for an automotive environment. An appropriate multiband, efficient and compact Dielectric Resonator Antenna is conceived using a specific development procedure. Also, a tunable phase shifter is designed and realized with switches and a variable capacitor. It has 360 degrees phase shift and can be electrically controlled. The proposed DRA and phase shifter are integrated in a global antenna system for automotive application in the LTE band. We finally propose a MIMO system with an active beam steering radiation pattern. It is very compact and can be implemented on the vehicle rooftop. Using the proposed phase shifter, a beam steering antenna is obtained with a global coverage close to 360� for the antenna alone or on the vehicle. Measurements are made in the using context of the antenna. Finally, the developed system is, with some improvement, powerful for powerful enough for "commercial" automotive applications. The studies carried out to develop this antenna are detailed in this manuscript.

Abstract This thesis concentrates on the design and evaluation of spatial user multiplexing methods via linear transmit-receive processing for wireless cellular multi-user multiple-input multiple-output (MIMO) communication systems operating in the time-division duplexing (TDD) mode. The main focus is on the acquisition of effective channel state information (CSI) that facilitates decentralized processing so that the network nodes – base stations (BS) and user terminals (UT), each employing an arbitrary number of antenna elements – are able to locally participate in the network adaptation. The proposed methods rely on the uplink-downlink channel reciprocity and spatially precoded over-the-air pilot signaling. Considering (single-cell) multi-user MIMO systems, coordinated zero-forcing transmit-receive processing schemes for the uplink (UL) are proposed. The BS computes the transmission parameters in a centralized manner and employs downlink (DL) pilot signals to convey the information of the beamformers to be used by the UTs. When coexisting with the DL zero-forcing, the precoded DL demodulation pilots can be reused for UL beam allocation, and the precoded UL demodulation pilots are reused in turn for partial channel sounding (CS). As a result, only the precoded pilot symbols are needed in both UL and DL. Moreover, a concept for reducing the number of the required orthogonal UL CS pilot resources is presented. Based on their DL channel knowledge, the multi-antenna UTs form fewer pilot beams by spatial precoding than conventionally needed when transmitting antenna-specific pilots. In the context of DL zero-forcing, when taking into account the CSI estimation error at the BS, the overhead reduction turns out to improve robustness and increase the average system capacity. Considering multi-cell multi-user MIMO systems, decentralized coordinated DL beamforming strategies based on weighted sum rate (WSR) maximization are proposed. An optimization framework where the WSR maximization is carried out via weighted sum mean-squared-error minimization is utilized, and the approach is generalized by employing antenna-specific transmit power constraints. The iterative processing consists of optimization steps that are run locally by the BSs. In one novel strategy, the coordinating cells update their transmit precoders and receivers one cell at a time, which guarantees monotonic convergence of the network-wide problem. The strategy employs separate uplink CS and busy burst pilot signaling to reveal the effective channels of the UTs to the neighboring BSs. In another novel strategy, the monotonic convergence is sacrificed to devise a faster scheme where the BSs are allowed to optimize their variables in parallel based on just the CS responses and additional low-rate backhaul information exchange. The numerical results demonstrate that WSR maximization has the desirable property that spatial user scheduling is carried out implicitly. Finally, methods for UL CS overhead reduction are presented, and the effect of CSI uncertainty is addressed. / Tiivistelmä Tämä väitöskirja keskittyy lineaarisella lähetys- ja vastaanottoprosessoinnilla toteutettavien tilajakomonikäyttömenetelmien suunnitteluun ja arviointiin langattomissa moniantennisissa solukkoverkoissa, jotka hyödyntävät aikajakodupleksointia (TDD). Erityisesti tarkastellaan efektiivisen kanavatiedon hankintaa, joka mahdollistaa hajautetun prosessoinnin siten että verkkoelementit – tukiasemat ja terminaalit, jotka kukin hyödyntävät useaa antennielementtiä – voivat osallistua paikallisesti verkon adaptaatioon. Esitetyt menetelmät perustuvat ylä- ja alalinkin kanavien resiprookkisuuteen ja tilatasossa esikoodattuun opetus- eli pilottisignalointiin ilmarajapinnan yli. Yksisoluisille monikäyttäjä- ja moniantennijärjestelmille esitetään ylälinkin koordinoituja nollaanpakottavia lähetys- ja vastaanottomenetelmiä. Tukiasema laskee lähetysparametrit keskitetysti ja käyttää pilottisignaaleja kertomaan millaista lähetyskeilanmuodostusta terminaalien tulee käyttää. Alalinkin nollaanpakotuksen yhteydessä esikoodattuja demodulaatiopilotteja voidaan uudelleenkäyttää ylälinkin lähetyskeilojen allokointiin, ja esikoodattuja ylälinkin demodulaatiopilotteja uudelleenkäytetään puolestaan osittaiseen kanavan luotaukseen (sounding). Näin ollen molempiin suuntiin tarvitaan vain esikoodatut pilotit. Lisäksi työssä esitetään menetelmä ylälinkin luotauspilottiresurssitarpeen vähentämiseksi. Kanavatietoon perustuen moniantenniset terminaalit muodostavat tilatasossa esikoodattuja pilottilähetyskeiloja, joita tarvitaan vähemmän kuin perinteisiä antennikohtaisia pilotteja. Kun otetaan huomioon kanavanestimointivirhe tukiasemassa, resurssiensäästömenetelmä parantaa häiriösietoisuutta ja nostaa järjestelmän keskimääräistä kapasiteettia alalinkin nollaanpakotuksen yhteydessä. Monisoluisille monikäyttäjä- ja moniantennijärjestelmille esitetään hajautettuja koordinoituja alalinkin keilanmuodostusstrategioita, jotka perustuvat painotetun summadatanopeuden (WSR) maksimointiin. Valitussa optimointikehyksessä WSR:n maksimointi toteutetaan painotetun summaneliövirheen minimoinnin kautta, ja työssä menettelytapa yleistetään antennikohtaisten lähetystehorajoitusten tapaukseen. Iteratiivinen prosessointi koostuu optimointiaskelista, jotka tukiasemat paikallisesti suorittavat. Yhdessä esitetyssä strategiassa yhteistoiminnalliset solut päivittävät lähettimensä ja vastaanottimensa yksi solu kerrallaan, mikä takaa verkonlaajuisen ongelmanratkaisun monotonisen konvergenssin. Tämä strategia käyttää erillisiä ylälinkin luotaussignaaleja sekä varattu-signaaleja ilmaistakseen terminaalien efektiiviset kanavat naapuritukiasemille. Toisessa strategiassa monotoninen konvergenssi uhrataan ja kehitetään nopeammin adaptoituva menetelmä, jossa tukiasemat saavat optimoida muuttujansa rinnakkain, perustuen vain luotaussignaaleihin ja tukiasemien väliseen informaationvaihtoon. Numeeriset tulokset osoittavat, että WSR:n maksimointi toteuttaa aktiivisten käyttäjien valinnan tilatasossa implisiittisesti. Lopuksi esitetään menetelmiä luotauspilottiresurssitarpeen vähentämiseksi ja käsitellään kanavatiedon epävarmuuden vaikutusta.

Abstract This thesis considers data transmission in a full-duplex (FD) multiuser multiple-input multiple-output (MU-MIMO) system, where a FD capable base station (BS) bidirectionally communicates with multiple half-duplex (HD) users in downlink (DL) and uplink (UL) channels using the same radio resources. The main challenge in FD communications is how to deal with the self-interference (SI) between transmit and receive antennas at the BS. The work carried out in the thesis is motivated by recent advanced techniques in hardware design demonstrating that the SI can be suppressed to a degree that possibly allows for FD transmission in cellular networks. In particular, this thesis attempts to explore the potential gains in terms of the spectral efficiency (SE) and energy efficiency (EE) that can be brought by the FD MU-MIMO model. As the first of its kinds, the thesis aims to present a solid mathematical framework and report interesting results that foster research on wireless communications in general and FD communications in particular. For the FD system of interest the major challenge is due to the SI and co-channel interference from users in the UL channel to the ones in the DL channel, resulting in the coupling between the two channels. As a result we are concerned with the problem of joint transmit processing design to maximize the SE and EE subject to certain power constraints. Since the design problems are natually non-convex, it is difficult to find the globally optimal solutions or even when possible it is not practically appealing. Our contributions to solving these design problems are on the development of several iterative algorithms that can obtain locally optimal solutions. The proposed algorithms are built upon a framework of local optimization strategies such as the sequential parametric convex approximation and the Frank-Wolfe methods. In special cases closed-form designs are also presented. The reported results show that when the SI is sufficiently suppressed the considered FD MU-MIMO system with the proposed SE designs achieves a significantly better SE but consumes more energy, compared to the HD counterpart. In terms of EE the proposed EE scheme is superior to the proposed SE design. Moreover, in the low transmit power region, the EE design achieves a worse EE than the HD system but a better one in the high trasmit power regime when the SI power is low. / Tiivistelmä Tämä väitöskirja käsittelee datansiirtoa samanaikaisesti kaksisuuntaisessa (full-duplex, FD) usean käyttäjän moniantennijärjestelmässä (MU-MIMO), jossa FD-kykyinen tukiasema on yhtä aikaa yhteydessä vuorosuuntaisten (half-duplex, HD) käyttäjien kanssa laskevalla (DL) ja nousevalla (UL) siirtotiellä käyttäen samoja radioresursseja. FD-kommunikaation suurin haaste liittyy lähetys- ja vastaanottoantennien välisen omahäiriön (SI) hallintaan. Tässä työssä hyödynnetään tuoreita tutkimustuloksia, joissa edistyneillä häiriönvaimennustekniikoilla on kyetty vaimentamaan omahäiriö tasolle, jolla FD-lähetys solukkoverkoissa on toteutuskelpoista. Tässä työssä tutkitaan etenkin mahdollisia FD MU-MIMO –järjestelmän tuomia suorituskykyparannuksia spektrinkäytön tehokkuudessa (SE) ja energiatehokkuudessa (EE). Väitöskirjalla on uutuusarvoa matemaattisessa suorituskykyarvioinnissa ja työn mielenkiintoiset tulokset edistävät jatkotutkimusta aiheen ympärillä. Tutkittavan FD-järjestelmän merkittävänä haasteena on omahäiriön ja muiden käyttäjien siirtosuuntien välisen samankanavan häiriön yhteisvaikutus, jonka johdosta siirtosuunnat kytkeytyvät toisiinsa. Tämä johtaa lähetysprosessoinnin yhteisoptimointiin, jossa spektri- ja energiatehokkuus pyritään maksimoimaan määritetyillä tehorajoituksilla. Nämä suunnitteluongelmat eivät ole luonteeltaan konvekseja, joten niihin on vaikeaa löytää globaalisti optimaalisia ratkaisuja ja vaikka onnistuisikin niin ne eivät yleensä ole käytännöllisiä. Työssä esitetään useita iteratiivisia algoritmejä, joilla saavutetaan paikallisesti optimaalisia ratkaisuja. Ehdotetut algoritmit pohjautuvat paikallisten optimointistrategioiden viitekehykseen, jossa käytetään esimerkiksi peräkkäistä parametristä konveksiapproksimaatiota ja Frank-Wolfe –menetelmiä. Erityistapauksissa suljetun muodon ratkaisut on myös esitetty. Raportoidut tulokset osoittavat, että omahäiriön ollessa riittävästi vaimennettu mallinnetulla järjestelmällä saavutetaan spektrinkäytön optimointimielessä huomattavaa etua HD-verrokkiin lisääntyneen energian kulutuksen kustannuksella. Energiatehokkuuden optimointiin pohjautuvalla strategialla puolestaan päästään suurempiin suorituskykyetuihin. Pienillä lähetystehoilla energiatehokkuus voi kuitenkin olla HD-järjestelmää alempi, mutta vastaavasti suurten lähetystehojen alueella tilanne on päinvastainen kunhan omahäiriön teho on tarpeeksi alhainen.