The importance of energy efficiency has grown alongside awareness of climate change due to the rapid increase of greenhouse gases. With the increasing trend regarding mobile subscribers, it is necessary to prevent an expansion of energy consumption via mobile networks. In this thesis, the energy optimization of the new radio access technology called 5G NR utilizing different sleep states to put base stations to sleep when they are not transmitting data is discussed. Energy savings and file latency with heterogeneous and super dense urban scenarios was evaluated through simulations with different network deployments. An updated power model has been proposed and the sensitivity of the new power model was analyzed by adjusting wake-up time and sleep factors. This showed that careful implementation is necessary when adjusting these parameter settings, although in most cases it did not change the end results by much. Since 5G NR has more potential in energy optimization compared to the previous generation mobile network 4G LTE, up to 4 sleep states was implemented on the NR base stations and one idle mode on LTE base stations. To mitigate unnecessary sleep, deactivation timers are used which decides when to put base stations to sleep. Without deactivation timers, the delay could increase significantly, while with deactivation timers the delay increase would only be a few percent. Up to 42.5% energy could be saved with LTE-NR non-standalone deployment and 72.7% energy with NR standalone deployment compared to LTE standalone deployment, while minimally impacting the delay on file by 1%.

The surge of mobile devices, such as smartphones, and tables, demands additional capacity. On the other hand, Internet-of-Things (IoT) and smart grid, which connects numerous sensors, devices, and machines require ubiquitous connectivity and data security. Additionally, some use cases, such as automated manufacturing process, automated transportation, and smart grid, require latency as low as 1 ms, and reliability as high as 99.99\%. To enhance throughput and support massive connectivity, sharing of the unlicensed spectrum (3.5 GHz, 5GHz, and mmWave) is a potential solution. On the other hand, to address the latency, drastic changes in the network architecture is required. The fifth generation (5G) cellular networks will embrace the spectrum sharing and network architecture modifications to address the throughput enhancement, massive connectivity, and low latency. To utilize the unlicensed spectrum, we propose a fixed duty cycle based coexistence of LTE and WiFi, in which the duty cycle of LTE transmission can be adjusted based on the amount of data. In the second approach, a multi-arm bandit learning based coexistence of LTE and WiFi has been developed. The duty cycle of transmission and downlink power are adapted through the exploration and exploitation. This approach improves the aggregated capacity by 33\%, along with cell edge and energy efficiency enhancement. We also investigate the performance of LTE and ZigBee coexistence using smart grid as a scenario. In case of low latency, we summarize the existing works into three domains in the context of 5G networks: core, radio and caching networks. Along with this, fundamental constraints for achieving low latency are identified followed by a general overview of exemplary 5G networks. Besides that, a loop-free, low latency and local-decision based routing protocol is derived in the context of smart grid. This approach ensures low latency and reliable data communication for stationary devices. To address data security in wireless communication, we introduce a geo-location based data encryption, along with node authentication by k-nearest neighbor algorithm. In the second approach, node authentication by the support vector machine, along with public-private key management, is proposed. Both approaches ensure data security without increasing the packet overhead compared to the existing approaches.

Résumé Dans les futurs réseaux mobiles, différentes technologies d'accès radio, telles que GSM, UMTS, WiMAX, WIFI coexisteront. Pour réaliser un handover vertical sans couture (handover inter-RAT) entre ces technologies, des architectures d'interconnexion et des moyens pour gérer le handover inter-RAT sont proposés. Afin de proposer une solution efficace, nous allons d'abord analyser la solution " Fast MIPv6 (FMIPv6) ". Les analyses numériques démontrent les défauts de FMIPv6 et les exigences de handover inter-RAT. En considérant une architecture de couplage intégré (integrated coupling), nous proposons une nouvelle sous-couche commune d'interconnexion (IW sublayer) au niveau 2 sur le RNC (Radio Network Controller) et le MS (Mobile Station) pour offrir un handover inter-RAT sans couture entre les systèmes UMTS et WiMAX. Cette sous-couche IW permet d'éliminer la perte des paquets et de réduire la latence de handover. Ces paramètres sont des éléments importants communs à la plupart des scénarios de handover inter-RAT. Cette sous-couche IW est également étendue à l'architecture de couplage serré (tight coupling). En outre, deux types de solution basées sur TCP Proxy, qui utilisent la sous-couche IW, sont également introduites sur le RNC pour résoudre deux problèmes rencontrés avec l'utilisation du trafic TCP dans un handover inter-RAT: le " BDP mismatch " et le " spurious RTO (Retransmission TimeOut) ". Le premier type de solution basé sur TCP Proxy est adapté aux scénarios où le handover est fréquent, tandis que le deuxième type de solution basé sur TCP Proxy est conçu pour les scénarios où le handover est occasionnel. Par rapport aux autres solutions de handover vertical, les résultats de simulation montrent que notre deuxième type de solution a le mérite de maintenir la pile de protocole TCP existante inchangée. Les solutions classiques de handover inter-RAT sont généralement réalisées au niveau 2 ou au-dessus, parce qu'il n'y a pas de module commun à la couche physique pour les deux systèmes, ou en raison de la distance géographique des systèmes. Mais pour les futurs systèmes LTE et WiMAX dans à l'architecture " integrated coupling ", ce n'est pas le cas, parce qu'ils ont un certain nombre de techniques physiques communes, telles que MIMO et OFDM. Deux modules nommés " precoder " et " combiner " sont proposés respectivement sur les BSs (stations de base) et sur le MS au niveau physique afin d'exploiter au maximum la diversité des deux réseaux d'accès radio et de réaliser un " soft " handover inter-RAT. Ce " soft " handover inter-RAT au niveau physique est entièrement nouveau à notre connaissance.

Le SC-FDMA " Single-Carrier Frequency Division Multiple Acces ", est une technique d'accès multiple à répartition fréquentielle, permettant d'allouer efficacement aux différents mobiles, les ressources de communication. Cette technique a suscité un intérêt particulier lors des conventions de normalisation du standard 3GPP LTE " Long Term Evolution ". Le regain de considération pour cette technique, est lié au fait qu'elle engendre des signaux temporels à faible variation d'amplitude caractérisée par un faible PAPR ou " Peak to Average Power Ratio ". Cet avantage majeur, rend possible l'utilisation de l'amplificateur de puissance du système dans sa zone proche du point de compression, maximisant ainsi son rendement sans toutefois risquer l'apparition des distorsions. C'est pourquoi, ce système a été adopté dans la norme 3GPP LTE comme technique d'accès multiple pour la voix montante. Cependant, dans les spécifications du 3GPP LTE un symbole sur sept est systématiquement réservé pour l'estimation de canal sur toutes les porteuses du système engendrant ainsi une réduction importante du débit utile du signal transmis. L'objectif de cette thèse est de proposer des techniques d'estimation et d'égalisation de canal adaptées pour le SC-FDMA afin d'éviter tant que possible cette perte de débit. Nous avons pu analyser, quelques techniques d'égalisation comme celle basée sur des références fantômes, mais également quelques techniques d'estimation de canal comme celle basée sur un " Ajout de Signal "dans la bande passante du signal utile.

<p>Digital front-end and Turbo decoder are the two key components in the digital wireless communication system. This thesis will discuss the implementation issues of both digital front-end and Turbo decoder.The structure of digital front-end for multi-standard radio supporting wireless standards such as IEEE802.11n, WiMAX, 3GPP LTE is investigated in the thesis. A top-to-down design methods. 802.11n digital down-converter is designed from Matlab model to VHDL implementation. Both simulation and FPGA prototyping are carried out.As another significant part of the thesis, a parallel Turbo decoder is designed and implemented for 3GPPLTE. The block size supported ranges from 40 to 6144 and the maximum number of iteration is eight.The Turbo decoder will use eight parallel SISO units to reach a throughput up to 150Mits.</p>

<p>Efficient radio resource management is of paramount importance for achieving the high bit rates targeted by the 3GPP for the 3GPP Long-Term Evolution. The radio air interface must be able to provide both high peak bit rates and acceptable cell-edge bit rates. This thesis therefore investigates three methods which try to combine the peak bit rate of a reuse-1 system with the cell-edge bit rate of a reuse-3 system in an OFDM-based downlink. These methods are soft frequency reuse, reuse partitioning and one variation of soft frequency reuse, reuse-1 with prioritization.</p><p>In static simulations with one user per cell and a system load of 100 percent, a Shannon capacity gain of up to 18 percent at the 10th percentile is shown with reuse partitioning compared to a reuse-1 system. This gain comes coupled with a loss of only 5 percent at the median. Soft frequency reuse is also investigated statically and shows a 13 percent gain at the 10th percentile compared to a reuse-1 system. Having a lower 10th percentile gain than reuse partitioning, it also shows a slightly smaller loss of 4 percent at the median and a much smaller loss at the 90th percentile.</p><p>Dynamic simulations with a traffic model and multiple users per cell offer a more realistic scenario and show that the proposed intercell interference management methods do not provide the same throughput gains in the dynamic case at low system loads. If interference is not an issue, interference coordination is still costly in terms of limiting bandwidth and/or decreasing the scheduling gain, but provides no significant interference reduction. At low system loads, reuse-1 is therefore the best scheme although interference coordination might prove necessary to provide edge-user throughput at high loads. For such purposes, soft frequency reuse is shown to be a potential candidate and although not investigated in a dynamic setting, reuse partitioning is believed to have similar performance. The traffic model chosen in this thesis only allows study of low system loads but at these loads, soft frequency reuse performs promisingly close to a reuse-1 system.</p>

<p>The advanced signal processing systems of today require extreme data throughput and low power consumption. The only way to accomplish this is to use parallel processor architecture.</p><p>The aim of this thesis was to evaluate the use of parallel processor architecture in baseband signal processing. This has been done by implementing three demanding algorithms in LTE on Ambric Am2000 family Massively Parallel Processor Array (MPPA). The Ambric chip is evaluated in terms of computational performance, efficiency of the development tools, algorithm and I/O mapping.</p><p>Implementations of Matrix Multiplication, FFT and Block Interleaver were performed. The implementation of algorithms shows that high level of parallelism can be achieved in MPPA especially on complex algorithms like FFT and Matrix multiplication. Different mappings of the algorithms are compared to see which best fit the architecture.</p>

This thesis examines various signal processing techniques that are required for establishing efficient (near optimal) communications in multiuser multiple-input multiple-output (MIMO) environments. The central part of this thesis is dedicated to acquisition of information about the MIMO channel state - at both the receiver and the transmitter. This information is required to organize a communication set up which utilizes all the available channel resources. Realistic channel model, i.e., the spatial channel model (SCM), has been used in this study, together with modern long-term evolution (LTE) standard. The work consists of three major themes: (a) estimation of the channel at the receiver, also known as tracking; (b) quantization of the channel information and its feedback from receiver to the transmitter (feedback quantization); and (c) reconstruction of the channel knowledge at the transmitter, and its use for data precoding during communication transmission. / Communications

Les systèmes sur puces dans le domaine des communications numériques deviennent extrêmement diversifiés et complexes avec la constante émergence de nouveaux standards et de nouvelles applications. Dans ce domaine, le turbo-décodeur est l'un des composants les plus exigeants en termes de calcul, de communication et de mémoire, donc de consommation d'énergie. Outre les exigences de performances croissantes, les nouveaux systèmes de communications numériques imposent une interopérabilité multi-standard qui introduit la nouvelle exigence de flexibilité de l'implémentation. Dans ce contexte, des travaux récents ont proposé l'utilisation du nouveau concept de processeurs à jeu d'instructions dédié à l'application (ASIP). Un tel modèle d'architecture permet au concepteur d'affiner librement le compromis flexibilité/performance tel que requis par l'application considérée. Toutefois, l'efficacité architecturale des processeurs dédiés à l'application est directement liée au jeu d'instruction défini ainsi qu'au taux d'utilisation des étages de pipeline. La plupart des travaux proposés récemment ne considèrent pas ces aspects explicitement. Par conséquent, ce travail de thèse s'inscrit dans l'objectif principal d'unifier l'approche orientée sur la flexibilité et celle orientée sur l'optimalité dans la conception de décodeurs de canal. Dans cet objectif, plusieurs contributions ont été proposées : (1) conception d'un turbo-décodeur multi-standard basé sur le concept ASIP assurant une efficacité architecturale élevée en bit/cycle/iteration/mm2, (2) optimisation de la vitesse de reconfiguration dynamique de l'ASIP proposé supportant tous les paramètres spécifiés dans les normes 3GPP-LTE/WiMAX/DVB-RCS, (3) conception d'entrelaceurs ARP et QPP de faible complexité pour le schéma de décodage de type papillon avec la technique de compression de treillis de type Radix4 et (4) proposition et mise en oeuvre d'un prototype FPGA de système de communication complet intégrant le turbo-décodeur multi-standard proposé. De plus, une première contribution a été proposée vers la conception d'une architecture multi-ASIP flexible et extensible supportant le décodage des turbocodes et des codes LDPC.

De nombreuses techniques de codage de canal sont spécifiées dans les nouvelles normes de communications numériques, chacune adaptée à des besoins applicatifs spécifiques (taille de trame, type de canal de transmission, rapport signal-à-bruit, bande-passante, etc.). Si l'on considère les applications naissantes multi-mode et multi-standard, ainsi que l'intérêt croissant pour la radio logicielle et la radio cognitive, la combinaison de plusieurs techniques de correction d'erreur devient incontournable. Néanmoins, des solutions optimales en termes de performance, de consommation d'énergie et de surface sont encore à inventer et ne doivent pas être négligées au profit de la flexibilité. Dans ce contexte, ce travail de thèse a exploré le modèle d'architecture multi-ASIP dans le but d¿unifier l'approche orientée sur la flexibilité et celle orientée sur l'optimalité dans la conception de décodeurs de canal flexibles. En considérant principalement les applications exigeantes de décodage itératif des turbocodes et des codes LDPC, des architectures multi-ASIP de décodeurs de canal sont proposées ciblant une grande flexibilité combinée à une haute efficacité architecturale en termes de bits/cycle/iteration/mm2. Différentes solutions architecturales et différentes approches de conception sont explorées pour proposer trois contributions originales. La première contribution concerne la conception d'un décodeur LDPC/Turbo multi-ASIP extensible, flexible et haut débit. Plusieurs objectifs de conception sont atteints en termes d'extensibilité, de partage de ressources, et de vitesse de configuration. Le décodeur proposé, nommé DecASIP, supporte le décodage des codes LDPC et turbocodes spécifiés dans les normes WiFi, WiMAX et LTE. L'extensibilité apportée par l'approche multi-ASIP basée sur des réseaux sur puces (NoC) permet d'atteindre les besoins en haut débit des normes actuelles et futures. La deuxième contribution concerne la conception d'un ASIP paramétré pour le turbo-décodage (TDecASIP). L'objectif étant d'étudier l'efficacité maximale atteignable pour un turbo décodeur basé sur le concept ASIP en maximisant l¿exploitation du parallélisme de sous-blocs. En outre, avec cette architecture nous avons démontré la possibilité de concevoir des c¿urs de traitement paramétrables et dédiés à l¿application en utilisant le flot de conception ASIP existant. La troisième contribution correspond à la conception d'un ASIP optimisé pour le décodage des codes LDPC (LDecASIP). Comme pour TDecASIP, l'objectif étant d'étudier l'efficacité maximale atteignable pour un décodeur de codes LDPC basé sur le concept ASIP en augmentant le degré de parallélisme et la bande passante des mémoires. Une quatrième contribution principale de cette thèse porte sur le prototypage matériel. Une plateforme de communication complète intégrant 4-DecASIP pour le décodage de canal a été prototypé sur une carte à base de circuits FPGA. À notre connaissance, c'est le premier prototype FPGA publié de décodeur de canal flexible supportant le décodage des turbocodes et des codes LDPC avec une architecture multi-ASIP intégrant des NoC. De plus, une intégration ASIC de ce décodeur a été réalisée par le CEA-LETI dans la puce MAG3D visant des applications de communications pour la 4G. Ces résultats démontrent le cycle de conception rapide et l'efficacité offerte par l'approche de conception basée sur le concept ASIP dans ce domaine d'application, permettant ainsi d¿affiner les compromis de conception par rapport aux divers objectifs ciblés.