Orientador: Renato da Rocha Lopes / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-14T18:25:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Fernandes_FabioGabrielli_M.pdf: 950144 bytes, checksum: f268abbc8dd690c948f3054725c478ef (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Estratégias de comunicação multiusuário, aliadas ao uso de múltiplas antenas nos terminais, proporcionam ganhos, como aumento de taxas e robustez, se comparadas à abordagem ponto -a- ponto. No entanto, a obtenção de alguns destes ganhos exige conhecimento do canal no transmissor. Em geral, o transmissor possui apenas conhecimento parcial, impreciso, do canal, obtido através de realimentação feita pelos receptores. O foco do trabalho é a exploração do conhecimento parcial de canal no downlink de um sistema sem fio, com um transmissor central com múltiplas antenas e receptores com uma ou mais antenas cada. É proposto um método de realimentação de estado de canal que visa obter altas taxas de transmissão com o uso do menor número possível de bits. A informação é dividida em direção e qualidade do canal. A informação de direção consiste da quantização do canal na variedade de Grassmann. Como qualidade do canal, propomos o uso de um limitante inferior da relação sinal-interferência-mais-ruído de cada usuário, quando o método de zero-forcing beamforming é utilizado e canais quase-ortogonais são escolhidos. É derivado o limitante, bem como ajustes para incorporar informação que levam ao aumento da taxa de transmissão. Constata-se que o desempenho desta proposta é superior ao de técnicas anteriores em termos de taxa-soma do canal. / Abstract: Multiuser communication strategies, together with the use of multiple antennas, result in better performance when compared to the point-to-point approach. However, they are highly dependent on knowledge of channel state information at the transmitter, which in general requires that the receivers feed back the estimated channel. The focus of this work is the problem of partial channel state information at the transmitter in the downlink of a wireless system composed of a central transmitter with multiple antennas and several receivers with one or more antennas each. A feedback method is proposed, using zero-forcing beamforming, which aims to achieve high sum rates while using the least amount of feedback bits possible. The channel state information is divided in channel direction and channel quality information. The direction information consists of a quantized version of the direction of the channel vector, which can be seen as quantization in the Grassmann manifold. We propose the use of a lower bound on the signal-to-interference-plus-noise ratio of each user, which assumes the selection of near-orthogonal users. The lower bound is derived, as well as adjustments intended to add information available at the transmitter side that lead to an increase in the sum rates. Simulation results show that the proposed method outperforms similar techniques in terms of sum rate in most scenarios. / Mestrado / Telecomunicações e Telemática / Mestre em Engenharia Elétrica

Abstract This thesis focuses on advanced multi-antenna receiver and transmission techniques to improve the utilization efficiencies of radio resources in broadband single carrier communications. Special focus is devoted to the development of computationally efficient frequency domain (FD) turbo equalization techniques for single and multiuser MIMO frequency selective channels. Another special emphasis is given to transmission power optimization for single user MIMO communications, which takes into account the convergence properties of the iterative equalizer. A new iterative FD soft cancellation (SC) and minimum mean square error (MMSE) filtering based joint-over-antenna (JA) multiuser MIMO signal detection technique for multiuser MIMO uplink transmission in frequency-selective channels is proposed. The proposed FD multiuser MIMO detection technique requires significantly lower computational complexity than its time-domain counterpart. Furthermore, significant performance gains can be achieved with the proposed JA turbo receiver compared to an antenna-by-antenna (AA) turbo receiver when the total number of transmitter antennas and users is larger than the number of receiver antennas, as well as in the presence of spatial correlation. The impact of existing linear precoding techniques, e.g, maximum information rate (MaxRate) and minimum sum mean square error (MinSumMSE), on the performance of frequency domain turbo equalization is investigated by utilizing extrinsic information transfer (EXIT) chart analysis. A novel transmission power minimization framework based on an EXIT analysis of single carrier MIMO transmission with iterative FD SC-MMSE equalization is then proposed. The proposed optimization framework explicitly takes into account the convergence properties of the iterative equalizer. The proposed convergence constrained power allocation (CCPA) technique decouples the spatial interference between streams using singular value decomposition (SVD), and minimizes the transmission power while achieving the mutual information target for each stream after iterations at the receiver side. The transmission power allocation can be formulated as a convex optimization problem. A special case having only two mutual information constraints is considered, for which the Lagrange dual function is derived and its dual problem is solved. Inspired by the Lagrange duality, two CCPA based heuristic schemes are developed. The numerical results demonstrate that the proposed CCPA schemes outperform the existing power allocation schemes. / Tiivistelmä Tässä työssä tutkitaan edistyksellisten moniantennivastaanotto- ja lähetysmenetelmien käyttöä radioresurssien tehokkuuden parantamiseen laajakaistaisessa yhden kantoaallon kommunikaatiossa. Työssä keskitytään erityisesti laskennallisesti tehokkaiden taajuustasossa suoritettavien iteratiivisten kanavakorjaintekniikoiden kehittämiseen yhden ja usean käyttäjän multiple-input multiple-output (MIMO) -kommunikaatiossa taajuusselektiivisen radiokanavan yli. Toinen tutkimuksen painopiste on lähetystehon optimointi yhden käyttäjän MIMO-kommunikaatiossa, jossa iteratiivisen kanavakorjaimen konvergenssiominaisuudet otetaan huomioon. Työssä ehdotetaan uudenlaista iteratiivista taajuustasossa suoritettavaa soft-cancellation (SC) ja minimum mean square error (MMSE) -suodatukseen pohjautuvaa joint-over-antenna (JA) monen käyttäjän ilmaisumenetelmää nousevan siirtokanavan tiedonsiirtoon taajuusselektiivisessa radiokanavassa. Ehdotettu tajuustasossa suoritettava usean käyttäjän MIMO-lähetyksen ilmaisumenetelmä vaatii selvästi vähemmän laskentatehoa verrattuna aikatason menetelmään. Tämän lisäksi ehdotetulla menetelmällä voidaan saavuttaa merkittävää suorituskykyhyötyä verrattuna antenna-by-antenna (AA) -pohjaiseen iteratiiviseen vastaanottimeen kun lähetysantennien ja käyttäjien kokonaislukumäärä on suurempi kuin vastaanotinantennien. Suorituskykyhyöty pätee myös tilakorrelaation tapauksessa. Työssä tutkitaan lisäksi olemassa olevien lineaaristen esikoodaustekniikoiden, esim. maximum information rate (MaxRate) and minimum sum mean square error (MinSumMSE), vaikutusta taajuustasossa suoritettavaan iteratiivisen kanavakorjaimen konvergenssiominaisuuksiin xtrinsic information transfer (EXIT) -analyysin avulla. Työssä ehdotetaan uudenlaista EXIT-analyysi-pohjaista lähetystehon minimointimenetelmää yhden kantoaallon MIMO-lähetykseen käyttäen iteratiivista taajuustason SC-MMSE-kanavakorjainta. Menetelmä ottaa huomioon iteratiivisen kanavakorjaimen konvergenssiominaisuudet. Ehdotettu convergence constrained power allocation (CCPA) -menetelmä erottaa tilatason häiriön lähetteiden välillä hyödyntäen singular value decomposition (SVD) -tekniikkaa ja minimoi lähetystehon ja saavuttaa samalla keskinäisinformaatiotavoitteet jokaiselle lähetteelle iteraatioiden jälkeen vastaanottimessa. Lähetystehon minimointiongelma voidaan muotoilla konveksiksi optimointiongelmaksi. Kahden keskinäisinformaatiorajoitteen erityistapaukselle johdetaan Lagrangen duaalifunktio ja ratkaistaan sen duaalifunktio. Työssä kehitetään lisäksi kaksi CCPA-pohjaista heuristista menetelmää. Numeeriset tulokset osoittavat ehdotettujen CCPA-pohjaisten menetelmien suoriutuvan paremmin verrattuna olemassa oleviin menetelmiin.

Actuellement, l’étude des systèmes multi-antennaires MIMO (Multiple Input Multiple Output) est orientée dans beaucoup de cas vers l’augmentation considérable du nombre d’antennes de la station de base (« massive MIMO », « large-scale MIMO »), afin notamment d’augmenter la capacité de transmission, réduire l’énergie consommée par bit transmis, exploiter la dimension spatiale du canal de propagation, diminuer l’influence des évanouissements, etc. Pour les systèmes MIMO à bande étroite ou ceux utilisant la technique OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex), le canal de propagation (ou les sous-canaux correspondants à chaque sous-porteuse d’un système OFDM) sont pratiquement plats (non-sélectifs en fréquence), ce qui revient à considérer la réponse fréquentielle de chaque canal SISO invariante par rapport à la fréquence mais variante dans le temps. Ainsi, le canal de propagation MIMO peut être caractérisé en bande de base par une matrice dont les coefficients sont des nombres complexes. Les systèmes MIMO cohérents nécessitent pour pouvoir démoduler le signal en réception de disposer de la connaissance de cette matrice de canal, donc le sondage périodique, en temps réel, du canal de propagation. L’augmentation du nombre d’antennes et la variation dans le temps, parfois assez rapide, du canal de propagation, rend ce sondage de canal difficile, voire impossible. Il est donc intéressant d’étudier des systèmes MIMO différentiels qui n’ont pas besoin de connaître la matrice de canal. Pour un bon fonctionnement de ces systèmes, la seule contrainte est que la matrice de canal varie peu pendant la transmission de deux matrices d’information successives. Le sujet de cette thèse concerne l’étude et l’analyse de nouveaux systèmes MIMO différentiels. On considère des systèmes à 2, 4 et 8 antennes d’émission, mais la méthode utilisée peut être étendue à des systèmes MIMO avec 2n antennes d’émission, le nombre d’antennes de réception étant quelconque. Pour les systèmes MIMO avec 2 antennes d’émission qui ont été étudiés dans le cadre de cette thèse, les matrices d’information sont des éléments du groupe de Weyl. Pour les systèmes avec 2n antennes d’émission, (n ≥ 2), les matrices utilisées sont obtenues en effectuant des produits de Kronecker des matrices unitaires du groupe de Weyl. Pour chaque nombre d’antennes d’émission on identifie d’abord le nombre de matrices disponibles et on détermine la valeur maximale de l’efficacité spectrale. Pour chaque valeur de l’efficacité spectrale on détermine les meilleurs sous-ensembles de matrices d’information à utiliser (selon le spectre des distances ou le critère du produit de diversité). On optimise ensuite la correspondance ou mapping entre les vecteurs binaires et les matrices d’information. Enfin, on détermine par simulation les performances des systèmes MIMO différentiels ainsi obtenus et on les compare avec celles des systèmes similaires existants. […] / At present, the study of multi-antenna systems MIMO (Multiple Input Multiple Output) is developed in many cases to intensively increase the number of base station antennas («massive MIMO», «largescale MIMO»), particularly in order to increase the transmission capacity, reduce energy consumed per bit transmitted, exploit the spatial dimension of the propagation channel, reduce the influence of fading, etc. For MIMO systems with narrowband or those using OFDM technique (Orthogonal Frequency Division Multiplex), the propagation channel (or the sub-channels corresponding to each sub-carrier of an OFDM system) are substantially flat (frequency non-selective). In this case the frequency response of each SISO channel is invariant with respect to frequency, but variant in time. Furthermore, the MIMO propagation channel can be characterized in baseband by a matrix whose coefficients are complex numbers. Coherent MIMO systems need to have the knowledge of the channel matrix to be able to demodulate the received signal. Therefore, periodic pilot should be transmitted and received to estimate the channel matrix in real time. The increase of the number of antennas and the change of the propagation channel over time, sometimes quite fast, makes the channel estimation quite difficult or impossible. It is therefore interesting to study differential MIMO systems that do not need to know the channel matrix. For proper operation of these systems, the only constraint is that the channel matrix varies slightly during the transmission of two successive information matrices. The subject of this thesis is the study and analysis of new differential MIMO systems. We consider systems with 2, 4 and 8 transmit antennas, but the method can be extended to MIMO systems with 2n transmit antennas, the number of receive antennas can be any positive integer. For MIMO systems with two transmit antennas that were studied in this thesis, information matrices are elements of the Weyl group. For systems with 2n (n ≥ 2) transmit antennas, the matrices used are obtained by performing the Kronecker product of the unitary matrices in Weyl group. For each number of transmit antennas, we first identify the number of available matrices and the maximum value of the spectral efficiency. For each value of the spectral efficiency, we then determine the best subsets of information matrix to use (depending on the spectrum of the distances or the diversity product criterion). Then we optimize the correspondence or mapping between binary vectors and matrices of information. Finally, the performance of differential MIMO systems are obtained by simulation and compared with those of existing similar systems. […]

La thèse aborde le problème de la détection d’un signal dans une bande de fréquences donnée sans aucune connaissance à priori sur la source (détection aveugle) dans le contexte de la radio intelligente. Le détecteur proposé dans la thèse est basé sur l’estimation des valeurs propres de la matrice de corrélation du signal reçu. A partir de ces valeurs propres, plusieurs critères ont été développés théoriquement (Standard Condition Number, Scaled Largest Eigenvalue, Largest Eigenvalue) en prenant pour hypothèse majeure un nombre fini d’éléments, contrairement aux hypothèses courantes de la théorie des matrices aléatoires qui considère un comportement asymptotique de ces critères. Les paramètres clés des détecteurs ont été formulés mathématiquement (probabilité de fausse alarme, densité de probabilité) et une correspondance avec la densité GEV a été explicitée. Enfin, ce travail a été étendu au cas multi-antennes (MIMO) pour les détecteurs SLE et SCN. / In Cognitive Radio, Spectrum Sensing (SS) is the task of obtaining awareness about the spectrum usage. Mainly it concerns two scenarios of detection: (i) detecting the absence of the Primary User (PU) in a licensed spectrum in order to use it and (ii) detecting the presence of the PU to avoid interference. Several SS techniques were proposed in the literature. Among these, Eigenvalue Based Detector (EBD) has been proposed as a precious totally-blind detector that exploits the spacial diversity, overcome noise uncertainty challenges and performs adequately even in low SNR conditions. The first part of this study concerns the Standard Condition Number (SCN) detector and the Scaled Largest Eigenvalue (SLE) detector. We derived exact expressions for the Probability Density Function (PDF) and the Cumulative Distribution Function (CDF) of the SCN using results from finite Random Matrix Theory; In addition, we derived exact expressions for the moments of the SCN and we proposed a new approximation based on the Generalized Extreme Value (GEV) distribution. Moreover, using results from the asymptotic RMT we further provided a simple forms for the central moments of the SCN and we end up with a simple and accurate expression for the CDF, PDF, Probability of False-Alarm, Probability of Detection, of Miss-Detection and the decision threshold that could be computed and hence provide a dynamic SCN detector that could dynamically change the threshold value depending on target performance and environmental conditions. The second part of this study concerns the massive MIMO technology and how to exploit the large number of antennas for SS and CRs. Two antenna exploitation scenarios are studied: (i) Full antenna exploitation and (ii) Partial antenna exploitation in which we have two options: (i) Fixed use or (ii) Dynamic use of the antennas. We considered the Largest Eigenvalue (LE) detector if noise power is perfectly known and the SCN and SLE detectors when noise uncertainty exists.

Cette thèse étudie les technologies porteuses de la 5ème génération de communication mobile telle que le MIMO et Massive MIMO ainsi que les divers challenges amenés par l’apparition de ces nouvelles technologies. Dans ce but un banc de mesure spécifique pour la caractérisation des performances des antennes MIMO en WLAN et LTE a été mis en œuvre. Dans un premier temps le banc de mesure a été réalisé à partir d’instruments de mesures Rhodes & Schwarz ; L’opportunité de travailler avec EURECOM nous a amenés à développer un second banc de test en utilisant l’OpenAirInterface, une plateforme open-source exploitant des systèmes de radio par logiciel. Nous avons conçu et réalisé une série de prototypes de routeur Wifi constitués de huit antennes. Chaque prototype est réalisé à partir d’antennes différentes (imprimées, 3D…). Nous avons également réalisé une seconde série prototype de routeur Wifi constitué de huit antennes imprimées sur plastique grâce à la technologie LDS. Une campagne de mesure a été réalisée avec ces prototypes sur le banc de test évoqué ci-dessus pour extraire des critères de performance antennaire utiles pour les applications MIMO. Ces études ont pour objectif d’apporter des éléments d’optimisation sur les techniques MIMO d’un point de vue antennaire. Une seconde partie de cette thèse est dédiée aux fréquences millimétriques qui sont au cœur de la 5G. Nous avons conçu un prototype de téléphone constitué de quatre antennes millimétriques. Une mesure permettant de prendre en compte les interférences avec le corps humain a été mise en place pour étudier les contraintes liées à l’implantation d’antennes millimétriques dans les futurs terminaux mobiles. / This PhD thesis studies the technologies of the 5th generation of mobile communication such as MIMO and Massive MIMO as well as the various challenges brought by the appearance of these new technologies. For this purpose, a specific test bench for characterizing the performance of MIMO antennas in WLAN and LTE has been implemented. The first the setup was made from Rhodes & Schwarz measuring instruments. The opportunity to work with EURECOM led us to develop a second test bench using the OpenAirInterface, an open-source platform exploiting software-based radio systems. We designed and built a series of Wi-Fi router prototypes consisting of eight antennas. Each prototype is made from different antennas (printed, 3D ...). We also produced a second series of Wi-Fi router prototypes consisting of eight antennas printed on plastic using LDS technology. A measurement campaign was carried out with these prototypes on the test bench mentioned above to extract useful antenna performance criteria for MIMO applications. These studies aim to provide optimization elements on MIMO techniques from an antenna point of view. A second part of this thesis is dedicated to the millimeter frequencies that are at the heart of 5G. We designed a mobile phone prototype consisting of four millimeter antennas. A measure to take into account the interference with the human body has been put in place to study the constraints related to the implementation of millimeter antennas in future mobile terminals.

Pour réduire la consommation d'énergie due aux transmissions radio dans les réseaux de capteurs sans fil, nous proposons une nouvelle approche associant les techniques de précodage MIMO et de relais, appelé précodage distribué max-dmin (DMP). Considérant une source et un relais avec une antenne chacun, et une destination disposant de deux antennes, nous déployons un système MIMO précodé virtuel 2 × 2. Dans ce contexte, nous étudions deux techniques de relais Amplify and Forward (AF) et Decode and Forward (DF). Des comparaisons en termes de taux d'erreur et d'efficacité énergétique par rapport aux systèmes plus classiques comme les codes spatio-temporels distribués ou les combinaisons à gain maximal montrent que notre système est intéressant pour des distances de transmission moyennes (à partir de 16 mètres). Toujours dans l'objectif de maximiser l'efficacité énergétique, nous proposons une allocation de puissance sur les nœuds source et relais. Pour cela, nous dérivons analytiquement les performances du système précodage distribué max-dmin selon le mode AF et DF. Enfin,pour améliorer les performances des systèmes avec décodage au relais (DF), nous proposons un nouveau récepteur (à la destination) qui tient compte des erreurs éventuelles au niveau du relais. / Among various cooperative techniques aiming to reduce power consumption for transmissions between Wireless Body Area Networks (WBAN) and base stations, we present a new approach, named distributed max-dmin precoding (DMP), combining MIMO precoding techniques and relay communications. This protocol is based on the deployment of a virtual 2 × 2 max-dmin precoding over one source, one forwarding relay, both equipped with one antenna and a destination involving 2 antennas. In this context, two kinds of relaying, amplify and forward (AF) or decode and forward (DF) protocols, are investigated. The performance evaluation in terms of Bit-Error-Rate (BER) and energy efficiency are compared with non cooperative techniques and the distributed space time block code (STBC) scheme. Our investigations show that the DMP takes the advantage in terms of energy efficiency from medium transmission distances (after 10 meters). In order to maximise the energy efficiency, we propose a power allocation over the source and the relay. Thus, we derive the performance of our system, both for AF and DF, analytically. To further increase the performance of DF cooperative schemes, we also propose to design a new decoder at the destination that takes profit from side information, namely potential errors at the relay.

Entrées multiples, sorties multiples (MIMO) massif est considéré comme l'une des technologies clés de la prochaine génération de communications sans fil. Afin d'effectuer des algorithmes de formation de faisceau en liaison descendante (DL) avec un grand réseau d'antennes, le plus grand défi est l'acquisition d'informations précises d'état de canal à l'émetteur (CSIT). Pour relever ce défi, le duplex à division temporelle (TDD) est favorable aux systèmes MIMO massif grâce à sa réciprocité de canal de la DL et la liaison montante (UL). Cependant, alors que le canal physique dans l'air est réciproque, les front-ends de radiofréquence (RF) dans les émetteurs-récepteurs ne le sont pas ; par conséquent, la calibration devrait être utilisée dans des systèmes pratiques pour compenser l'asymétrie matérielle RF. Dans cette thèse, nous nous efforçons de transformer le concept MIMO massif en réalité en utilisant la calibration de la réciprocité TDD. Les contributions peuvent être résumées comme suit. Tout d'abord, nous proposons un cadre unifié pour la calibration de la réciprocité, qui généralise diverses méthodes de calibration existant dans la littérature, offrant une vue supérieure sur le problème de calibration ainsi que l'ouverture de nombreuses innovations sur les méthodes de calibration. Deuxièmement, sur la base de cette représentation générale, nous proposons trois nouveaux schémas de calibration : une méthode de calibration rapide basée sur le groupement d'antennes, un schéma de calibration pour l'architecture hybride de formation de faisceau, ainsi qu'un mécanisme de suivi des paramètres de calibration et de surveillance de la santé du système qui permet une détection rapide du changement de paramètre. Troisièmement, nous avons effectué des mesures des paramètres de calibration sur une plate-forme réelle afin de révéler les propriétés matérielles. Quatrièmement, nous étudions, du point de vue du système, avec quelle précision un système MIMO massif TDD devrait être calibré. Enfin, grâce à la calibration de réciprocité TDD, nous avons construit un banc d’essai pour MIMO massif, qui est compatible avec l'évolution à long terme (LTE) basé sur la plate-forme « open source » OpenAirInterface, et peut directement fournir un service Internet à un appareil commercial. Le banc d'essai démontre la faisabilité d'intégrer le MIMO massif dans les normes actuelles du projet de partenariat de troisième génération (3GPP) et son utilisation dans le 5G peut être une évolution à partir des systèmes 4G actuels. / Massive multiple-input multiple-output (MIMO) is considered as one of the key technologies that will enable the next generation of wireless communications. In order to perform downlink (DL) beamforming algorithms with large antenna arrays, the biggest challenge is the acquisition of accurate channel state information at the transmitter (CSIT). To take up this challenge, time division duplex (TDD) is favorable to massive MIMO systems thanks to its channel reciprocity in DL and uplink (UL). However, while the physical channel in the air is reciprocal, the radio-frequency (RF) front-ends in transceivers are not; therefore, calibration should be used in practical systems to compensate the RF hardware asymmetry. In this thesis, we focus on turning massive MIMO concept into reality based on TDD reciprocity calibration. The contributions can be summarized as follows. First, we propose a unified framework for reciprocity calibration, which generalizes various calibration methods existing in literature, providing a higher level view on the calibration problem as well as opening up possibilities of numerous innovations on calibration methods. Second, based on this general representation, we propose three new calibration schemes: a fast calibration method based on antenna grouping, a calibration scheme for hybrid beamforming architecture, as well as a calibration parameter tracking and system health monitoring mechanism which allows fast detection of parameter change. Third, we carried out measurements of calibration parameters on a real platform in order to reveal the hardware properties. Fourth, we study, from a system point of view, how accurately a TDD massive MIMO system should be calibrated. Last but not least, enabled by TDD reciprocity calibration, we build up an open source long term evolution (LTE) compatible massive MIMO testbed based on the OpenAirInterface platform, which can directly provide Internet service to a commercial device. The testbed demonstrates the feasibility of integrating massive MIMO into current 3rd Generation Partnership Project (3GPP) standards and its usage in 5G can be a smooth evolution from current 4G systems.

Modélisation du couplage mutuel présent dans un réseau d'antennes : étude théorique, applications au radar MIMO et à un contexte RFID. Le couplage mutuel est un phénomène électromagnétique susceptible de se produire dans les réseaux d'antennes. Il est dû aux interactions électromagnétiques qui se produisent entre les éléments d'un réseau d'antennes et induisent une modification des paramètres intrinsèques des antennes. Lorsque la distance inter-élément diminue, les effets du couplage mutuel augmentent. La prise en compte du couplage mutuel dans les réseaux d'antennes, lors de leur conception ou dans les algorithmes de traitement d'antennes, permet d'avoir accès aux caractéristiques de rayonnement réel de chaque élément du réseau, ce qui peut par exemple permettre d'améliorer les performances de détection/localisation de cibles à l'aide d'un radar MIMO (Multiple Input Multiple Output). Dans un contexte RFID (Radio Frequency IDentification), modéliser le couplage mutuel permet de modéliser le système formé par un ensemble de tags et de statuer sur le comportement du système dans une configuration donnée. Cette thèse porte sur la modélisation du couplage mutuel présent dans un réseau d'antennes. Nous avons d'abord proposé une nouvelle méthode de modélisation du diagramme de rayonnement de l'élément actif basée sur la résolution de problèmes d'optimisation au sens des moindres carrés pour trouver les pondérations complexes qui modélisent les interactions électromagnétiques entre les éléments du réseau. Ces pondérations complexes peuvent être utilisées comme des lois d'excitation à appliquer à une antenne isolée décrivant les positions des éléments du réseau, afin d'étudier expérimentalement le comportement d'un réseau d'antennes. Cette modélisation du couplage mutuel est ensuite appliquée dans un contexte radar MIMO où nous montrons qu'il est possible de synthétiser le diagramme de rayonnement de l'élément actif sur une plateforme expérimentale de radar MIMO composée d'une seule antenne émettrice et d'une seule antenne réceptrice qui se déplacent sur des rails en des positions prédéfinies. A la réception, la matrice des signaux reçus est obtenue en appliquant le principe de superposition. Nous avons également cherché à modéliser le couplage mutuel en proposant une formulation théorique de l'impédance mutuelle entre les éléments d'un réseau de dipôles fins aléatoirement répartis dans un plan afin d'appliquer cette modélisation du couplage mutuel à un contexte RFID, où les tags, représentés par les dipôles, sont éparpillés dans un plan et éclairés par un lecteur. Nous avons également proposé une formulation théorique de l'impédance d'entrée du dipôle environné et avons étudié les effets du couplage mutuel sur les deux paramètres intervenant dans le bilan d'une liaison RFID : l'adaptation (la bande passante) et le diagramme de rayonnement du dipôle environné. Nous avons montré qu'il était possible de synthétiser le diagramme de rayonnement du dipôle environné et de trouver la modification de l'adaptation du dipôle environné, ce qui, à terme, permettrait de statuer sur le taux et/ou la distance de lecture d'une communication RFID dans un contexte haute densité / Modeling of the Mutual Coupling Present in an Antenna Array: TheoreticalStudy, Applications to MIMO Radar and RFID ContextMutual coupling is an electromagnetic phenomenon that can occur in antenna arrays. It is due to the electromagnetic interactions that occur between the elements of an antenna array and induce a modification of the intrinsic parameters of the antennas. Taking into account mutual coupling in antenna arrays, when designing them or in antenna processing algorithms, provides access to the real radiation characteristics of each array element which can, for example, improve target detection/localization performance using a Multiple Input Multiple Output (MIMO) radar. In an RFID (Radio Frequency IDentification) context, modeling mutual coupling makes it possible to model the system formed by a set of tags and to decide on the behavior of the system in a given configuration. This thesis focuses on the modeling of the mutual coupling present in an antenna array. We first new method for the active element pattern synthesis based on solving optimization problems in the least squares sense to find the complex weights that model electromagnetic interactions between network elements. These complex weights can be used as excitation laws to be applied to an isolated antenna describing the positions of the array elements, in order to experimentally study the behavior of an array of antennas. This mutual coupling modeling is then applied in a MIMO radar context where we show that it is possible to synthesize the radiation pattern of the active element on an experimental MIMO radar platform composed of a single transmitting and a single receiving antenna that moves on rails in predefined positions. On reception, the matrix of received signals is obtained by applying the principle of superposition. We also sought to model mutual coupling by proposing a theoretical formulation of the mutual impedance between the elements of an array of fine dipoles randomly distributed in a plane in order to apply this mutual coupling modeling to an RFID context, where the tags, represented by the dipoles, are scattered in a plane and illuminated by a reader. We also proposed a theoretical formulation of the input impedance of the surrounding dipole and studied the effects of mutual coupling on the two parameters involved in the balance of an RFID link: the adaptation (bandwidth) and the radiation pattern of the surrounding dipole. We have shown that it is possible to synthesize the radiation pattern of the surrounded dipole and to find the modification of the adaptation of the surrounded dipole, which, in the long term, would allow to decide on the read rate and/or the reading distance of an RFID communication in a high density context.

L’objectif de cette thèse est l’étude de récepteurs MIMO LDPC itératifs. Les techniques MIMO permettent d’augmenter la capacité des réseaux sans fil sans la nécessité de ressources fréquentielles additives. Associées aux schémas de modulations multiporteuses CP-OFDM, les techniques MIMO sont ainsi devenues la pierre angulaire pour les systèmes sans fil à haute efficacité spectrale. La réception optimale peut être obtenue à l’aide d’une réception conjointe (Egalisation/Décodage). Étant très complexe, la réception conjointe n’est pas envisagée et l’égalisation et le décodage sont réalisés disjointement au coût d’une dégradation significative en performances. Entre ces deux solutions, la réception itérative trouve son intérêt pour sa capacité à s’approcher des performances optimales avec une complexité réduite. La conception de récepteurs itératifs pour certaines applications, de type WiFi à titre d’exemple doit respecter la structure du code imposée par la norme. Ces codes ne sont pas optimisés pour des récepteurs itératifs. En observant l’effet du nombre d' itérations dans le processus itératif, on montre par simulation que l’ordonnancement des itérations décodage LDPC/Turbo-égalisation joue un rôle important dans la complexité et le délai du récepteur. Nous proposons de définir des ordonnancements permettant de réduire la complexité globale du récepteur. Deux approches sont proposées, une approche statique ainsi qu'une autre dynamique. Ensuite nous considérons un système multi-utilisateur avec un accès multiple par répartition spatiale. Nous étudions l’intérêt de la réception itérative dans ce contexte tenant en compte la différence de puissance signale utile/interférence. / The aim of this thesis is to address the design of iterative MIMO receivers using LDPC Error Correcting codes. MIMO techniques enable capacity increase in wireless networks with no additional frequency ressources. The associationof MIMO with multicarrier modulation techniques OFDM made them the cornerstone of emerging high rate wireless networks. Optimal reception can be achieved using joint detection and decoding at the expense of a huge complexity making it impractical. Disjoint reception is then the most used. The design of iterative receivers for some applications using LDPC codes like Wifi (IEEE 802.11n) is constrained by the standard code structure which is not optimized for such kind of receivers. By observing the effect of the number of iterations on performance and complexity we underline the interest of scheduling LDPC decoding iterations and turboequalization iterations. We propose to define schedules for the iterative receiver in order to reduce its complexity while preserving its performance. Two approaches are used : static and dynamic scheduling. The second part of this work is concerns Multiuser MIMO using Spatial Division Multiple Access. We explore and evaluate the interest of using iterative reception to cancel residual inter-user interference.

Dans les télécommunications, le débit-fiabilité et la complexité de l’encodage et du décodage (opération à virgule flottante-flops) sont largement reconnus comme représentant des facteurs limitant interdépendants. Pour cette raison, tout tentative de réduire la complexité peut venir au prix d’une dégradation substantielle du taux d’erreurs. Cette thèse traite de l’établissement d’un compromis limite fondamental entre la fiabilité et la complexité dans des systèmes de communications « outage »-limités à entrées et sorties multiples (MIMO), et ses scénarios point-à-point, utilisateurs multiple, bidirectionnels, et aidés de feedback. Nous explorons un large sous-ensemble de la famille des méthodes d’encodage linéaire Lattice, et nous considérons deux familles principales de décodeurs : les décodeurs à maximum de vraisemblance (ML) et les décodeurs Lattice. L‘analyse algorithmique est concentrée sur l’implémentation de ces décodeurs ayant comme limitation une recherche bornée, ce qui inclue une large famille de sphère-décodeurs. En particulier, le travail présenté fournit une analyse à haut rapport Signal-à-Bruit (SNR) de la complexité minimum (flops ou taille de puce électronique) qui permet d’atteindre a) une certaine performance vis-à-vis du compromis diversité-gain de multiplexage et b) une différence tendant vers zéro avec le non-interrompu (optimale) ML décodeur, ou une différence tendant vers zéro comparé à l’implémentation exacte du décodeur (régularisé) Lattice. L’exposant de complexité obtenu décrit la vitesse asymptotique d’accroissement de la complexité, qui est exponentielle en terme du nombre de bits encodés. / In telecommunications, rate-reliability and encoding-decoding computational complexity (floating point operations - flops), are widely considered to be limiting and interrelated bottlenecks. For this reason, any attempt to significantly reduce complexity may be at the expense of a substantial degradation in error-performance. Establishing this intertwined relationship constitutes an important research topic of substantial practical interest. This dissertation deals with the question of establishing fundamental rate, reliability and complexity limits in general outage-limited multiple-input multiple-output (MIMO) communications, and its related point-to-point, multiuser, cooperative, two-directional, and feedback-aided scenarios. We explore a large subset of the family of linear lattice encoding methods, and we consider the two main families of decoders; maximum likelihood (ML) based and lattice-based decoding. Algorithmic analysis focuses on the efficient bounded-search implementations of these decoders, including a large family of sphere decoders. Specifically, the presented work provides high signal-to-noise (SNR) analysis of the minimum computational reserves (flops or chip size) that allow for a) a certain performance with respect to the diversity-multiplexing gain tradeoff (DMT) and for b) a vanishing gap to the uninterrupted (optimal) ML decoder or a vanishing gap to the exact implementation of (regularized) lattice decoding. The derived complexity exponent describes the asymptotic rate of exponential increase of complexity, exponential in the number of codeword bits.