L’infrastructure d’alimentation ferroviaire, qui comprend principalement la sous-station d’alimentation ferroviaire, la caténaire et les rails, permet l’acheminement de l’énergie nécessaire au fonctionnement du matériel roulant, mais les signaux d’amplitudes élevées qu'elle véhicule peuvent engendrer des champs électromagnétiques non négligeables sur une large bande fréquentielle. Il est donc essentiel de déterminer les contraintes électromagnétiques auxquelles seront soumis les équipements électroniques et de télécommunication à bord et à proximité du matériel roulant. La thèse propose un modèle du comportement électromagnétique de l’infrastructure d’alimentation sur une large bande de fréquences et dont les paramètres sont déterminés à partir de données accessibles, par exemple, la mesure d’impédances aux bornes de la sous station. Après une description des sous-stations, qui se composent principalement de transformateurs et de convertisseurs statiques, un modèle HF du transformateur est proposé en considérant les effets magnétiques et les capacités parasites. Ce modèle a été appliqué à un premier banc d’essai représentatif d’une sous-station d’alimentation en tension continue qui comprend un transformateur, un redresseur et une résistance. Ensuite l'étude du comportement fréquentiel du courant lorsque les effets de propagation sont introduits dans le modèle a été réalisée puis appliquée au banc de laboratoire modifié en conséquence. Pour terminer, une méthode de simulation d’une infrastructure d’alimentation, basées sur des données issues de mesures de courant effectuées directement aux bornes d'une sous-station réelle puis appliquées un modèle de ligne est détaillée. / During the last three decades, electronic devices have conquered the railway domain. The railway power infrastructure, which is constituted by a power supply substation, a catenary and the rails, allows providing the required current for the rolling stock. The supply current generates significant electromagnetic fields in a wide frequency band. In addition, the new generation of rolling stock is equipped with safety communication systems. In order to work properly and reliably, the on-board and close electronic systems must be fairly immune to the effect of the electromagnetic interference. Thereby, it’s essential to determine the electromagnetic constraints which these electronic systems are confronted. The aim of this work is to develop an electromagnetic model the railway power infrastructure over a wide frequency band. After a description of the power substation which contains mainly of transformers and converters, a high frequency model of power transformer is proposed by considering the magnetic effects and parasitic capacitances. This model was applied to study an electromagnetic behaviour a bench test that represents a classic DC power substation which includes a transformer, a rectifier and a load resistance. Then, a bench test that contains a transformer, a transmission line and a load allows us to study the frequency behaviour of the line current. Finally, a simulation of a railway infrastructure based on using measurements done directly to the terminals of a substation is detailed.

Cette thèse s’articule autour des transmissions ultra-large bande à impulsions radio dans les réseaux de capteurs. Ces réseaux dotés de la structure point à point sont capables de générer une quantité suffisamment élevée d’interférences pour rendre les communications peu fiables. La technique utilisée pour séparer les données est la modulation par position d’impulsion qui distingue les données en leur attribuant des décalages temporels différents. Il s’agit, dans ce travail, de faire des propositions pour réduire ces interférences tout en respectant les réglementations (masques spectrales) sur les fréquences radioélectriques, imposées dans les pays où ces réseaux seront amenés à être utilisés. A titre indicatif, cette thèse ne fait référence qu’au masque États-Unien. Toutefois, les résultats obtenus sont applicables à tout autre masque. Les masques étant fortement restrictifs, nous nous sommes donc intéressés, de prime-abord, à l’aménagement du spectre des signaux émis, afin de permettre une utilisation optimale du peu de puissance disponible. La proposition que nous faite, à cette fin, donne des résultats intéressants. Ensuite une modélisation analytique prenant en compte la précédente alternative permet d’évaluer numériquement les performances. Ces dernières sont comparées à celles obtenues par des simulations de type Monte-Carlo. Il s’avère que le modèle est suffisamment précis pour servir de base à une optimisation, à la fois, des performances et de l’occupation spectrale. Les résultats obtenus montrent que notre proposition permet de fiabiliser les transmissions au sein des réseaux de capteurs sujets à de fortes perturbations dues à l’accès multiple. / This thesis focuses on impulse radio Ultra-Wide Band (UWB) transmissions in ad hoc sensor network. Such networks are able to generate strong enough multiple access interference to be less reliable. The method used to distinguish data is the Pulse Position Modulation where different delay is assign to each data type. The purpose of this study is to suggest proposals to mitigate this issue while fitting with the radio waves regulations in the countries where these networks will operate. As a rough guide, this thesis only refers to the American UWB regulation. However, the obtained results are relevant to any kind of mask. The masks are highly restrictive, we therefore interested to the transmitted signals spectrum shapes, first, in order to guarantee an optimal use of the available power. The proposal we made for this purpose reveals highly interesting. Then an analytical model taking into account the last suggestion is built to numerically evaluate the performances. These performances are compared to the ones obtained with Monte-Carlo simulations. It appears that the model is accurate enough to be used in an optimisation process. This process aims to find data signals that give the best performances and the optimal spectral occupancies, at the same time. The obtained results show that our proposal allows to make more reliable transmissions in dense ad hoc sensor networks.

L’absorption des ondes électromagnétiques est un objectif suscitant beaucoup d’intérêt de nos jours notamment pour les applications en furtivité dans le domaine militaire, mais également dans le domaine civil pour limiter l’exposition aux signaux de communication sans fil et pour préserver l’intégrité des informations échangées. La conception d’absorbants pour le domaine des basses fréquences reste un challenge dans la mesure où l’épaisseur des objets est proportionnelle à la longueur d’onde, ce qui peut se traduire par des masses et des encombrements importants. Cette caractéristique est un facteur limitant, notamment pour la protection des équipements embarqués. C’est pourquoi l’objectif de cette thèse est de concevoir des absorbants électromagnétiques à la fois large bande et le moins épais possible pour des faibles fréquences (typiquement entre 1 et 10 GHz). Dans un premier temps, nous avons cherché à comprendre le rôle des paramètres constitutifs des matériaux (permittivité et perméabilité complexe) dans l’absorption de l’onde. Nous avons ensuite décrit les efficacités d’absorption au sein d’une structure résonante par le biais du facteur de qualité. Sur ces bases de conception, nous avons proposé plusieurs types de structures absorbantes. La première repose sur la structuration d’un matériau composite ferromagnétique par ajout de motif métallique ou par détourage. Les motifs fractals (courbes de Moore) ont permis d’obtenir des largeurs de bandes relatives de l’ordre de 130 %, à 90 % d’absorption en puissance, autour de la fréquence de 7 GHz, avec une épaisseur faible devant la plus grande longueur d’onde absorbée. Les autres absorbants étudiés dans cette thèse présentent une structuration MIM (métal/ isolant/ métal) avec des résonateurs répartis aléatoirement. La distribution aléatoire du premier absorbant, dimensionné pour des fréquences voisines de 10 GHz, suit la loi de probabilité de Poisson où les résonateurs peuvent se superposer. Nous avons utilisé des outils mathématiques permettant de décrire la topologie de la distribution afin de relier la géométrie de l’absorbant à l’absorption de l’onde électromagnétique. Deux autres structures aléatoires, dimensionnées pour les longueurs d’ondes millimétriques, répartissent les résonateurs avec une condition de non contact. Nous montrons qu’une augmentation du nombre de résonateurs permet d’obtenir une absorption supérieure à 90 % avec un élargissement de bande. Enfin, nous avons mené une étude de prospective en vue d’étudier la réponse d’une métasurface aléatoire aux ondes électromagnétiques et acoustiques dans le domaine infrarouge. / Absorption of electromagnetic power arouses a lot of interest not solely for stealth applications in military domain, but also in civil life to reduce the exposure to wireless communication signals and to preserve the totality of exchanged information. Absorbers designing for low frequency domain remains a challenge since the object’s thickness has to be proportional to the working wavelength, which leads to significant mass and size. This characteristic is a limiting factor, especially for the on-board equipment protection. That is why the main objective of this thesis is to design a low-profile electromagnetic absorber specified for broadband operation at low frequency (typically between 1 and 10 GHz). First, we tried to deeply understand the role of materials’ constitutive parameters (complex permittivity and permeability) in the power absorption. Next we described the absorption efficiency by a resonant structure in terms of quality factor, thus introducing a balance condition. From this design rules, we proposed several types of absorbing structures. The first one is based on a ferromagnetic composite material structuration either by addition of metallic pattern or by etching technique. Fractals patterns (Moore’s curve) enabled to obtain a relative frequency bandwidth in the range of 130 %, for 90 % power absorption, around a frequency of 7 GHz, for a thickness which is a fraction absorbed wavelength. The other absorbers studied during this thesis display a MIM (metal/ isolator/ metal) structuration with randomly distributed resonators. The random distribution of the first absorber, sized for operating frequencies around 10 GHz, obeys the probability law of Poisson in which overlapping between resonators is allowed. We used some mathematical tools to describe the random distribution’s topology in order to link the absorber’s geometry to the electromagnetic power absorption characteristics. Two other random structures, dimensioned for millimeter wavelengths, distribute the resonators with a no contact condition. We showed that by increasing of density of the resonators, one can obtain an absorbance higher than 90 % with a bandwidth enhancement. Finally, we carried out a prospective study in order regarding a random metasurface which can behaves as a common platform for electromagnetic and acoustic waves in the infrared domain.

L’objectif de cette thèse était d’étudier la possibilité de compromissions électromagnétiques par le rayonnement des lignes d’énergie électrique. Nous nous sommes concentrés sur deux cas de figure. Le premier, à l’intérieur de bâtiments, concerne la technologie CPL « courant porteur en ligne ». Le second, en extérieur, sur un site industriel, porte sur la problématique de la propagation et du rayonnement de signaux caractéristiques d’un matériel industriel.Dans le premier cas, nous détaillons les mécanismes mis en jeu dans le rayonnement des câbles « basse tension » (BT) par la mesure et la modélisation. On distingue deux canaux de propagation. Le premier « filaire » correspond au canal usuel d’une liaison CPL entre deux modems. Le second est le canal « sans fil », qui correspond à la réception, aux bornes d’une antenne magnétique, d’une injection en mode différentiel sur 2 fils du câble. Ces deux types de canaux de propagation sont caractérisés expérimentalement, ce qui permet de déduire grâce à un logiciel les possibilités de décodage de l’information portée par le rayonnement compromettant. Dans le second cas, qui prend en compte les lignes « haute tension » (HT), nous considérons les fonctions de transfert successives du courant, associées à la propagation sur les lignes BT, au passage du transformateur BT/HT, puis à la propagation sur les lignes HT. Des modélisations ont été réalisées à l’aide du logiciel commercial EMTP, dont les résultats ont été comparés aux mesures expérimentales obtenues au cours de ce travail. Le rayonnement des lignes HT est abordé tant d’un point de vue théorique qu’expérimental. / The aim of this thesis was to study the possibility for power lines to emit compromising electromagnetic radiations. We focused on two cases. The first one was inside buildings, on PLC “Power Line Communication”. The second one was outside, on an industrial site, and about propagation and radiation of the characteristic signals produced by an industrial material.In the first case, we describe, measuring and modeling, the mechanisms involved in radiation cable Low Voltage (LV). There are two channels of propagation. The first is "wired" and the usual channel of a PLC link between two modems. The second channel is "wireless", which corresponds to the reception, across a magnetic antenna, of a differential injection of 2 lines of the cable. Both types of propagation channels are characterized experimentally, which enable us to deduced, using software, the decoding possibility of the information carried out by the compromising emanations.In the second case, considering "High Voltage" (HV) lines, we studies the successive transfer functions of the current associated with the spread on LV lines, crossing the transformer LV / HV, and then spreading on HV lines. Modelings were performed using commercial software EMTP. The results were compared with experimental measurements obtained during our study. HV lines radiations are discussed both from a theoretical and an experimental perspective.

Dans un avenir proche, l'utilisation des bandes libres à 60 GHz permettra des débits de plusieurs Gb/s sur de courtes distances. Cependant, la conception de ces systèmes de communication sans fil dépendra fortement des caractéristiques du canal de propagation. L'objectif de cette thèse porte sur la caractérisation spatiotemporelle du canal de propagation afin de quantifier l'apport des techniques multi antennes (MIMO) sur les performances de la communication. Un sondeur de canal adapté à cette bande passante est développé afin d'effectuer des mesures intensives de caractérisation à l'intérieur des bâtiments. Pour la caractérisation théorique du canal, le modèle déterministe de tracé de rayons fut complété pour prendre en compte i) la diffraction sur les arêtes horizontales d'un obstacle rectangulaire, une nouvelle méthode hybride basée sur la théorie uniforme de la diffraction et de l'optique physique a été proposée et validée, ii) les caractéristiques de diffusion pour des matériaux typiquement rencontrés dans les constructions, ces caractéristiques ayant été estimées à partir de la caractérisation expérimentale. Ces résultats ont montré que l'introduction des coefficients de diffusion pour chaque matériau améliore la précision du modèle contrairement à ce qui peut être trouvé dans la littérature où un paramètre moyen de diffusion est proposé pour un environnement donné. Enfin, à partir des mesures de sondage de canal, les simulations des performances du standard IEEE 802.15c MIMO-OFDM montrent que l'utilisation des techniques multi antennes peut à la fois augmenter le débit d' un facteur de 3,7 et la distance de communication d'un mètre. / The use of the license-free 60-GHz frequency band will allow multi-Gb/s data transmission over short distances. The design of these wireless communication systems strongly depends on the propagation channel. The objective of the thesis focuses on the multidimensionnal channel characterization to quantify at the end the contribution of multi-antenna techniques (MIMO) on the performance of communication. A wideband mm-W frequency channel sounder was developed and has allowed extensive indoor channel measurements. In order to compare experimental results with theoretical value, the ray tracing tool was improved. Taking into account the diffraction that takes place at the top of a rectangular obstacle, a new method based on a hybrid uniform theory of diffraction-physical optics has been proposed and validated. Experimental results had also allowed to quantify the diffuse parameters for materials usually found in indoor environments. It was shown that introducing the contribution of diffuse scattering improves the accuracy of the RT tool unlike what it can be found in the literature where an average diffuse scattering parameter is proposed for a given environment. Finally, based on the channel measurements, the performance of IEEE 802.15.3c MIMO-OFDM systems was performed and the results show that the use of antennas array at both the transmitter and receiver side could increase both the throughput by a factor of 3.7 and the communication distance by 1 meter.

L’environnement électromagnétique ferroviaire se caractérise par la coexistence de signaux de formes d’ondes diverses adressant des problèmes de CEM de natures très différentes. Ces signaux dus à des sources qui occupent un spectre de fréquence étendu, sont parfois générés par des dispositifs de forte puissance. Les problèmes relèvent de domaines tels que l’énergie, la signalisation et la communication, et sont habituellement traités de façon disjointe. Leur résolution nécessite des méthodes d’analyse adaptées à chacune de ces problématiques. La mobilité et la présence d’interférences transitoires requièrent des méthodes d’analyse temps-fréquence. La majorité de ces méthodes utilisent la FFT pour ses temps de calcul performants. Cependant la FFT présente des limitations en termes d’adaptabilité aux systèmes très différents étudiés. Les bandes de fréquence ne sont pas ajustables, et les résolutions en temps et fréquence ne sont pas aisément adaptables à celles requises pour les systèmes considérés. Ce travail de thèse porte sur un outil global d’analyse en mesure de pallier certaines limitations. Les résolutions temporelle et fréquentielle peuvent être choisies en fonction du système étudié et des perturbations ciblées (transitoires ou permanentes), afin de relier les perturbations à l’impact qu’elles ont sur un système donné. Les bandes de fréquence analysées, les pas fréquentiel et temporel sont prédéfinis selon le système étudié, qu’il soit de basse ou de haute fréquence. Ces propriétés sont obtenues sans dégrader la rapidité de calcul, similaire à celle de la FFT et permettent l’implémentation de l’outil sur des équipements de mesure temps réel. / The railway electromagnetic environment is characterized by the coexistence of various signal waveforms which address very different EMC problems. These signals are produced by sources occupying a wide frequency spectrum, and can be generated by high-power devices. Associated EMC issues are in fields such as energy, signaling and communication, and are usually treated by different approaches. Their resolution requires analysis methods adapted to these different fields. The mobility and the presence of transient interferences can require time-frequency analysis methods. The majority of these methods uses the FFT due to its performing calculation time. However, the FFT is limited for adapting analysis resolution with the characteristics of different studied systems. The frequency bands are not adjustable, and the time and frequency steps are not readily adaptable to those required for the systems considered. This thesis work deals with a comprehensive analysis tool able to overcome some limitations. The time and frequency resolutions can be selected according to the studied system and the targeted disturbances (transient or permanent), in order to highlight the impact that the interferences have on a given system. The analyzed frequency bands, the frequency and time steps are predefined according to the studied system, whether low or high frequency devices. These properties are obtained without degrading the calculation time performances, which are similar to FFT and allow the implementation of this tool on real time measurement equipment.

Nous présentons une méthode pour caractériser des nanocapacités sub-10 nm de diamètre et des nanotransistors par Interferometric Scanning Microwave Microscope (ISMM), avec lequel nous avons réussi, de non seulement optimiser la résolution latérale qui permet de connaitre leur topographie, mais aussi de les caractériser quantitativement à l’échelle de l’attofarad. La caractérisation quantitative des nanocapacités dans la gamme de l’attofarad est réalisée en utilisant une série de capacités d’une cal kit intégrées sur une même puce. Des capacités à l'échelle nanométrique et des diodes à barrière tunnel ont été détectées par les variations de l'amplitude et de la phase du signal haute fréquence réfléchi S11. En ce qui concerne les nanotransistors mesurés à l’aide du montage IDPMM, l’évolution de la tension de seuil a été étudiée par deux approches : les mesures de courant I_d (V_tip) et les mesures de courbes dS_11/dV. Les résultats obtenus par ces deux approches coïncident sauf l’apparition d’un ‘splitting’ à fort V_bg qui est seulement observé par l’ISMM. Une cartographie 2D de la tension de seuil avec deux grilles pour les nanotransistors a été établie pour la première fois. En résumé, cette étude montre que l’ISMM est un outil alternatif fiable pour la caractérisation électrique de nanocomposants émergents. / We present a method to characterize sub-10 nm capacitors and nanotransistors by Interferometric Scanning Microwave Microscopy (ISMM), with which we are able to not only optimize the lateral resolution which related to the topography, but also quantitatively characterize across the attofarad range. Quantitative impedance characterization of attofarad range capacitors is achieved using an “on-chip” calibration kit facing thousands of nanodevices. Nanoscale capacitors and tunnel barriers were detected through variations in the amplitude and phase of the reflected microwave signal, respectively. With the banc IDPMM (Interferometric Doping Profile Measurement Module), the change of threshold voltage of nanotransistor is observed by two methods: the measurement of current I_d (V_tip) and the spectroscopy curves S_11/dV. The curves obtained by two approaches coincide except for a ‘splitting’ at high V_bg. In addition, a precise 2D mapping of threshold voltage in dual gate operation for nanotransistor is established for the first time. In brief, this study indicates that ISMM is a reliable alternative tool for electrical characterization of emerging nanocomponents.

L’objectif de ce travail de thèse est de développer des absorbants large bande et un détecteur thermique à base de matériaux carbonés issus de la pyrolyse de polymères, pour des applications dans le domaine terahertz. Deux types de polymères précurseurs ont été utilisés: un polymère organique (polyimide) et un hybride organique-inorganique (organopolysiloxane). La conversion thermique sous atmosphère inerte a été suivie par diverses techniques d’analyse : la thermogravimétrie couplée à la spectrométrie de masse, les spectroscopies Infrarouge et Raman. Les matériaux issus du polymère organique sont constitués principalement de carbone graphitique avec des rendements à la pyrolyse de 55% en poids. En revanche, la pyrolyse des organosiloxanes conduit à des matériaux céramiques de type composite dans lesquels des domaines de graphène sont répartis dans un réseau oxycarbure de silicium, avec des rendements de 85% en poids. L’absorption THz de 78%, sur une large bande 0.2-3 THz, a été obtenue sur l’échantillon d’épaisseur 0.95 mm, issu de la pyrolyse à 1500 °C du polymère organosilicé. Le principal avantage de l’utilisation de polymères réside dans la facilité de leur mise en forme pour obtenir des formes complexes aux dimensions souhaitées, grâce au procédé par coulage. Comme preuve de concept, la fabrication d’un micro-bolomètre, utilisant le matériau carboné céramique à structure pyramidale comme absorbant THz à large bande, a permis d’atteindre une sensibilité SV de 0.76V/W, une constante de temps de 180ms et un seuil de détection de puissance de 2 nW/Hz1/2, valeur avoisinant, voire meilleure, que celle des dispositifs actuellement disponibles sur le marché. / The aim of this work is the development of broadband absorbers and thermal detectors, based on carbon materials issued from pyrolysis of polymers and devoted to terahertz (THz) applications. Two types of polymer, organic (polyimide) and hybrid organic-inorganic polysiloxane, have been used. The progress of thermal conversion of these polymers in inert atmosphere was followed by thermogravimetric analysis coupled with mass spectrometry, and IR and Raman spectroscopies. The pyrolysis of polymers up to 1200 °C left black residues materials.Organic-derived materials are composed of mainly graphitic-carbon with a yield of about 55 wt%, while organosiloxane polymers result in a ceramic composite material, in which free carbon domains are embedded into an oxycarbide network, with a yield of 85 wt%.It has been found that the presence of sp2 carbon is necessary but not sufficient in and itself for the absorption of terahertz radiations. Carbon must be at least partially ordered into a few stacked-graphene layers. The THz absorbance of up to 78% over the broadband of 0.2-3 THz was obtained for a 0.95 mm thick sample resulting from pyrolysis of organosiloxane polymer at 1500 °C. The main advantage of using polymers lies in their ability to form complex small parts in a near net-shape by the casting process.Finally, using net-shaped pyramidal ceramic structures as absorbers, a proof of concept was achieved with the fabrication of a broadband terahertz micro-bolometer, with a responsivity of 0.76 V/W, time constant of 180 ms, and noise equivalent power of 2 nW/Hz1/2, thus putting it in fair competition with commercial thermal detectors.

Dans le domaine des télécommunications sans fil, les domaines applicatifs sont de plus en plus larges, s’étendant par exemple du grand public, à la voiture connectée, à l’internet des objets (IoT Internet of Things) et à l’industrie 4.0. Dans ce dernier cas, l’objectif est d’aboutir à une flexibilité et à une versatilité accrues des chaînes de production et à une maintenance prédictive des machines, pour ne citer que quelques exemples. Cependant, les réseaux sans fil actuels ne sont pas encore en mesure de répondre aux nombreuses lacunes de la quatrième génération des réseaux mobiles (4G) et aux exigences de la 5G quant à une connectivité massive, une ultra fiabilité et des temps de latence extrêmement faibles. L’optimisation des ressources spectrales est également un point très important. La 5G était initialement considérée comme une évolution, rendue possible grâce aux améliorations apportées à la LTE (Long Term Evolution), mais elle ne tardera pas à devenir une révolution et une avancée majeure par rapport aux générations précédentes.Dans ce cadre, la technologie des réseaux massifs ou Massive MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) s’est imposée comme l’une des technologies de couche physique les plus prometteuses. L'idée principale est d'équiper les stations de base de grands réseaux d’antennes (100 ou plus) pour communiquer simultanément avec de nombreux terminaux ou équipements d’utilisateurs. Grâce à un prétraitement intelligent au niveau des signaux d’émission, les systèmes Massive MIMO promettent d’apporter une grande amélioration des performances, tout en assurant une excellente efficacité spectrale et énergétique. Cependant certains défis doivent encore être relevés avant le déploiement complet des communications basées sur le massive MIMO. Par exemple, l’élaboration de modèles de canaux représentatifs de l’environnement réel, l'impact de la diversité de polarisation, les stratégies de sélection optimale d’antennes et l'acquisition d'informations d'état du canal, sont des sujets importants à explorer. En outre, une bonne compréhension des canaux de propagation en milieu industriel est nécessaire pour optimiser les liens de communication de l'industrie intelligente du futur.Dans cette thèse, nous essayons de répondre à certaines de ces questions en nous concentrant sur trois axes principaux :1) La caractérisation polarimétrique des canaux massive MIMO en environnement industriel. Pour cela, on étudie des scénarios correspondant à des canaux ayant ou non une visibilité directe entre émetteur et récepteur (Line of Sight – LOS) ou Non LOS, et en présence de divers types d’obstacles. Les métriques associées sont soit celles utilisées en propagation telles que le facteur de Rice et la corrélation spatiale, soit orientées système comme la capacité totale du canal incluant des stratégies de précodage linéaire. De plus, les schémas de diversité de polarisation proposés montrent des résultats très prometteurs.2) En massive MIMO, un objectif important est de réduire le nombre de chaînes de fréquences radio et donc la complexité du système, en sélectionnant un ensemble d'antennes distribuées. Cette stratégie de sélection utilisant la corrélation spatiale du récepteur et une métrique de propagation comme facteur de mérite, permet d'obtenir une capacité totale quasi-optimale.3) Une technique efficace de réduction des ressources lors de l’acquisition d’informations du canal de propagation dans les systèmes FDD (frequency-division-duplex) est enfin proposée. Elle repose sur la corrélation spatiale au niveau de l'émetteur et consiste à résoudre un ensemble d'équations auto-régressives simples. Les résultats montrent que cette technique permet d’atteindre des performances qui ne sont pas trop éloignées de celles des systèmes TDD (time-division-duplex) initialement proposés pour le massive MIMO. / Continuous efforts have been made to boost wireless systems performance, however, current wireless networks are not yet able to fulfill the many gaps from 4G and requirements for 5G. Thus, significant technological breakthroughs are still required to strengthen wireless networks. For instance, in order to provide higher data rates and accommodate many types of equipment, more spectrum resources are needed and the currently used spectrum requires to be efficiently utilized. 5G, or the fifth generation of mobile networks, is initially being labeled as an evolution, made available through improvements in LTE, but it will not be long before it becomes a revolution and a major step-up from previous generations. Massive MIMO has emerged as one of the most promising physical-layer technologies for future 5G wireless systems. The main idea is to equip base stations with large arrays (100 antennas or more) to simultaneously communicate with many terminals or user equipments. Using smart pre-processing at the array, massive MIMO promises to deliver superior system improvement with improved spectral efficiency, achieved by spatial multiplexing and better energy efficiency, exploiting array gain and reducing the radiated power. Massive MIMO can fill the gap for many requirements in 5G use-cases notably industrial IOT (internet of things) in terms of data rates, spectral and energy efficiency, reliable communication, optimal beamforming, linear processing schemes and so on. However, the hardware and software complexity arising from the sheer number of radio frequency chains is a bottleneck and some challenges are still to be tackled before the full operational deployment of massive MIMO. For instance, reliable channel models, impact of polarization diversity, optimal antenna selection strategies, mutual coupling and channel state information acquisition amongst other aspects, are all important questions worth exploring. Also, a good understanding of industrial channels is needed to bring the smart industry of the future ever closer.In this thesis, we try to address some of these questions based on radio channel data from a measurement campaign in an industrial scenario using a massive MIMO setup. The thesis' main objectives are threefold: 1) Characterization of massive MIMO channels in Industry 4.0 (industrial IoT) with a focus on spatial correlation, classification and impact of cross-polarization at transmission side. The setup consists in multiple distributed user-equipments in many propagation conditions. This study is based on propagation-based metrics such as Ricean factor, correlation, etc. and system-oriented metrics such as sum-rate capacity with linear precoding and power allocation strategies. Moreover, polarization diversity schemes are proposed and were shown to achieve very promising results with simple allocation strategies. This work provides comprehensive insights on radio channels in Industry 4.0 capable of filling the gap in channel models and efficient strategies to optimize massive MIMO setups. 2) Proposition of antenna selection strategies using the receiver spatial correlation, a propagation metric, as a figure of merit. The goal is to reduce the number of radio frequency chain and thus the system complexity by selecting a set of distributed antennas. The proposed strategy achieves near-optimal sum-rate capacity with less radio frequency chains. This is critical for massive MIMO systems if complexity and cost are to be reduced. 3) Proposition of an efficient strategy for overhead reduction in channel state information acquisition of FDD (frequency-division-duplex) systems. The strategy relies on spatial correlation at the transmitter and consists in solving a set of simple autoregressive equations (Yule-Walker equations). The results show that the proposed strategy achieves a large fraction of the performance of TDD (time-division-duplex) systems initially proposed for massive MIMO.

L’objectif de cette thèse est de proposer des méthodes de localisation de mobiles en environnement urbain pour des applications de sécurité civile. Le système de localisation doit alors être basé sur un réseau de récepteurs indépendant de celui des stations de base et autres mobiles. L’objectif visé est de pouvoir localiser avec précision un mobile dans une zone limitée. Pour répondre à ce besoin de localisation ponctuel et immédiat, on considère qu’au plus deux récepteurs (RS) peuvent être déployés. Ces RS sont équipés de réseaux d’antennes permettant l’extraction, par un algorithme de haute résolution (HRA), des caractéristiques géométriques du canal utilisées pour la localisation. L’algorithme de localisation proposé, basé sur une technique d’identification d’empreintes, emploie un modèle de canal déterministe de lancer de rayons. Une caractérisation multidimensionnelle du canal de propagation a d’abord été effectuée pour confronter le modèle avec les canaux expérimentaux. L’algorithme de localisation est testé dans des environnements de synthèse afin de prédire les erreurs de localisation engendrées par l'HRA. Il est ensuite validé expérimentalement sur des configurations de propagation volontairement défavorables. Une approche originale basée sur la diversité de polarisation permet d'améliorer la précision de localisation. Si pour des raisons stratégiques ou financières, il n'est pas envisageable d'utiliser deux RS, un second algorithme de localisation est proposé afin de réduire la zone à explorer en n’utilisant qu’un RS mobile. Il se base sur une technique de tracé de rayons inverse et intègre une phase d’identification des rayons diffractés du canal. / The objective of this thesis is to propose mobile localization methods in urban environments for civil safety/security applications. The localization system must be based on a dedicated network of receivers, independent of the provider base stations and mobiles. The purpose is to accurately locate a mobile in a limited area. To meet this punctual and immediate need of localization, it was considered that at most two receivers (RS) equipped with antenna arrays can be deployed. This allows the extraction of the geometrical characteristics of the channel used for localization by a high resolution algorithm (HRA). The proposed localization algorithm is based on a fingerprinting technique and uses a deterministic ray tracing channel model. First, an experimental multidimensional characterization of the propagation channel was performed to compare with experimental channels. The localization algorithm is tested for synthetic environments in order to predict the localization errors caused by the HRA. Then, it was experimentally validated with deliberately unfavorable propagation configurations, encountered with typical scenarios. An original approach based on polarization diversity allows improving the localization accuracy. If for strategic or financial reasons, it is not possible to use two RS, a second localization algorithm is proposed to reduce the area to be explored, using only one mobile RS. It is based on a reverse ray tracing approach and includes a phase of identification of the diffracted rays of the channel.