Au cours des vingt dernières années, le débit croissant des communications radiofréquences a imposé la mise en œuvre de techniques d'égalisation de plus en plus complexes. Pour résoudre ce problème, les modulations multi-porteuses ont été massivement employées dans les standards de communications à très haut débit. Un exemple caractéristique de la démocratisation de ces formes d'ondes est l'utilisation de l'OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) sur le lien descendant des réseaux 4G. Toutefois, pour les futurs réseaux 5G, l'émergence prévue des communications M2M (Machine-to-Machine) impose aux formes d'ondes une grande tolérance aux asynchronismes au sein de ces réseaux et ne permet pas l'emploi de l'OFDM qui nécessite une synchronisation stricte en temps et en fréquence. Egalement, l'utilisation efficace du spectre par les techniques de la radio cognitive est incompatible avec l'OFDM en raison de la mauvaise localisation en fréquence de cette forme d'onde.Dans ce contexte, la forme d'onde FBMC-OQAM (Filter Bank Multi-Carrier - Offset Quadrature Amplitude Modulation) est apparue comme une solution potentielle à ces problèmes. Toutefois, l'égalisation des signaux FBMC-OQAM en canal sélectif en fréquence et/ou canal MIMO (Multiple Input Multiple Output) est rendue difficile par la subsistance d'interférences entre les sous-porteuses du schéma FBMC-OQAM. Cette thèse étudie donc l'égalisation de ces liaisons. L'étude de récepteurs WL (Widely Linear) qui permettent la suppression d'interférences, sans diversité d'antenne en réception, au sein des réseaux utilisant des signaux noncirculaires au second ordre (e.g. signaux ASK, GMSK, OQAM) est privilégiée. Cette technique nommée SAIC (Single Antenna Interference Cancellation) et utilisée dans les réseaux GSM pour la suppression d'interférences co-canal est envisagée pour une extension à la suppression des interférences entre porteuses des formes d'ondes FBMC-OQAM. La technologie SAIC, qui a été étendue pour plusieurs antennes en réception (MAIC - Multiple Antenna Interference Cancellation) a l'avantage de sa faible complexité et ne génère pas de propagation d'erreur à faible SNR contrairement aux solutions de suppression successive d'interférences. Une approche progressive est adoptée, depuis l'élaboration du SAIC pour la suppression d'interférences co-canal où nous démontrons l'importance de considérer le caractère cyclostationnaire des signaux OQAM. Basée sur cette constatation, une nouvelle structure de réception utilisant un filtre WL-FRESH (FREquency-SHift) est proposée et ses meilleures performances comparé au récepteur WL standard sont présentées analytiquement et par simulations numériques. L'extension du SAIC pour la suppression d'une interférence décalée en fréquence est ensuite menée et différentes structures de réception sont proposées et analysées en détail. L'aptitude des traitements SAIC utilisant des filtres WL-FRESH à supprimer 2 interférences décalées en fréquence est présentée. Dans le contexte des signaux FBMC-OQAM qui utilisent généralement le filtre de mise en forme PHYDYAS, chaque sous-porteuse est polluée par ses deux sous-porteuses adjacentes. Cependant, pour évaluer les traitements SAIC sans devoir prendre en compte la contribution des sous-porteuses voisines à ces sous-porteuses adjacentes, un filtre doit précéder le traitement de réception. Pour cette raison, l'analyse de l'impact d'un filtre de réception sur les performances des traitements SAIC proposés est effectuée et les conditions sur la bande passante du filtre nécessaires pour justifier l'intérêt d'un traitement SAIC par filtrage WL sont présentées. Dans un dernier temps, une approche alternative d'égalisation des signaux FBMC-OQAM est présentée. Elle consiste à démoduler conjointement les sous-porteuses interférentes après filtrage. Cette technique est abordée dans le contexte de liaisons MIMO Alamouti FBMC-OQAM. / During the last two decades, the increase of wireless communications throughput has necessitated more and more complex equalization techniques. To solve this issue, multicarrier modulations have been massively adopted in high data rates wireless communications standards. A typical example of the wide use of these waveforms is the adoption of OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) for the downlink of 4G mobile networks. However, for next-generation 5G networks, the expected increase of M2M (Machine-to-Machine) communications forbids the use of OFDM because of the tight time and frequency synchronization constraints imposed by this waveform. Additionally, efficient spectrum occupation through cognitive radio strategies are incompatible with the poor spectral localization of OFDM. In this context, FBMC-OQAM (Filter Bank Multi-Carrier - Offset Quadrature Amplitude Modulation) waveforms appeared as a potential solution to these issues. However, equalization of FBMC-OQAM in frequency selective channels and/or MIMO (Multiple Input Multiple Output) channels is not straightforward because of residual intrinsic interferences between FBMC-OQAM subcarriers. Thus, this thesis considers equalization techniques for these links. In particular, the study of WL (Widely Linear) receivers allowing the mitigation of interferences, with only a single antenna, among networks using second-order noncircular waveforms (e.g. ASK, GMSK, OQAM signals) is privileged. This work studied this technique, named SAIC (Single Antenna Interference Cancellation) and applied for the suppression of co-channel interferences in GSM networks in order to adapt it for the cancellation of FBMC-OQAM intercarrier interferences. SAIC, which was further extended to multiple receive antennas (MAIC - Multiple Antenna Interference Cancellation) benefits from its low complexity and does not generate error propagation at low SNR contrary to successive interference cancellation based solutions. A progressive approach is adopted, from SAIC/MAIC for the suppression of co-channel interferences where we emphasize the importance of considering the cyclostationary nature of OQAM communication signals. Based on this, the proposal of a new WL-FRESH (FREquency-SHift) filter based receiver for OQAM-like signals is made and its performance is characterized analytically and by numerical simulations asserting its superior performance with respect to the standard WL receiver. The extension of SAIC/MAIC for the mitigation of a frequency-shifted interference is then considered and reception structures are proposed and analyzed in detail. The ability of WL-FRESH filter based SAIC receivers to perform the suppression of multiple frequency-shifted interferences is assessed. In the context of FBMC-OQAM signals which frequently utilize the PHYDYAS pulse-shaping prototype filter, each subcarrier is polluted only by its adjacent subcarriers. However, to evaluate SAIC processing without having to consider neighboring subcarriers of the adjacent ones, a filtering operation prior to the SAIC processing is needed. For this reason, the impact of a reception filter on the performance gain provided by the SAIC processing was conducted and conditions on the filter bandwidth have been established which governs the potential performance gain of a WL filter based processing for SAIC of frequency-shifted interferences.In a last step, an alternative equalization approach for FBMC-OQAM is investigated. This proposed technique consists in the per-subcarrier joint demodulation of the subcarrier of interest and its interfering adjacent ones after a filtering step. This proposal is considered in the context of MIMO Alamouti FBMC-OQAM links.

Après l'augmentation des capacités physiques des réseaux sans-fil, l'amélioration du faible rendement MAC permet aujourd'hui aux utilisateurs de bénéficier de bandes passantes inédites. Cette amélioration est notamment rendue possible par la création de systèmes d'agrégation. Or si ces systèmes permettent d'améliorer la bande passante offerte, plusieurs problématiques se posent quant à leur influence sur le comportement du système en particulier en cas de forte concurrence pour l'accès au medium. L'agrégation étudiée dans ce mémoire effectue une concaténation de plusieurs paquets dans une seule trame. Cette opération permet aux paquets de partager les en-têtes. Outre la perte de signification quant à la valeur d'un paquet, la configuration des paramètres d'un tel système reste aujourd'hui obscure pour le fournisseur d'accès. Comme les intérêts du fournisseur et de ses clients peuvent diverger, il est également nécessaire de tenir compte du compromis entre leurs exigences respectives. Afin d'adresser ces problématiques, ces travaux de thèse se concentrent sur une analyse approfondie du comportement et des implications d'un système d'agrégation de paquets (avec IEEE 802.11n pour cas d'étude). L'influence de l'agrégation sur la qualité de service offerte à une application est quantifiée au travers de plusieurs milliers de simulations effectuées avec Riverbed Modeler. Des recommandations sont ensuite proposées pour la bonne configuration du système d'agrégation dans l'optique d'optimiser les délais et l'arriéré de traitement. L'accent est mis sur les performances offertes à un flux particulier en concurrence pour le medium. Ceci dans le but de clarifier l'influence de l'agrégation sur chaque client. Cette thèse développe également un modèle analytique dudit système basé sur la théorie du calcul réseau. Les limites d'un tel modèle sont démontrées et son pessimisme est déterminé à l'aide d'une analyse fine du comportement de l'agrégation 802.11n. Cette étude démontre notamment une relative inadaptation de la théorie du calcul réseau au système d'agrégation considéré. Des ajustements de la théorie sont alors proposés, en particulier vis à vis du calcul du service rendu à un flux. Afin d'aider le fournisseur d'accès dans la configuration du système d'agrégation, cette thèse propose en dernier lieu un algorithme de configuration dynamique des paramètres d'agrégation. Cet algorithme est établi à partir des recommandations instructives établies précédemment. Son originalité repose sur la désactivation de l'agrégation en fonction de l'état des stations concurrentes. Implémenté dans Riverbed Modeler, cet algorithme montre son efficacité. De nouvelles problématiques se posent quant à son implémentation réelle (distribuée, centralisée, ...). / After the increase of the capacity of wireless networks, the improvement of the low efficiency allows users to benefit from higher bandwidths. This improvement is partly due to the creation of aggregation's systems. Now, if these systems allow to improve the offered bandwidth, several problems arise about their influence on the behavior of the system. In particular, the case of strong competition for the access to the medium remains unknown. The aggregation studied in this thesis makes a concatenation of several packets in a single frame. This operation allows the packets to share headers. Besides the loss of meaning about the value of a packet, the configuration of such a system remains today obscure for the access provider. As the interests of the provider and its customers may differ, it is also necessary to consider a compromise between their respective requirements. To address these issues, this thesis focuses on a thorough analysis of the behavior and the implications of a packet aggregation system (with IEEE 802.11n as case study). The impact of aggregation on the quality of service provided to an application is quantified through thousands of simulations with Riverbed Modeler. Recommendations are then proposed for the proper setup of the aggregation system to optimize delay and backlog. This thesis focuses on the performances offered to a particular flow in competition for the medium. Its aim is to show the influence of the aggregation on each customer. This thesis also develops an analytical model of the aggregation system using the network calculus theory. The limitations of such a model are demonstrated. Its pessimism is determined using a detailed analysis of the 802.11n aggregation. This study demonstrates a particular relative inadequacy of network calculus to the aggregation system considered. Adjustments of the theory are then proposed, particularly for the calculation of the residuel service offered to a customer. To help the access provider in the configuration of the aggregation system, this thesis lastly proposes an algorithm for a dynamic configuration of the aggregation. This algorithm is established from the recommendations previously established. Its originality is based on the deactivation of the aggregation according to the state of the competing stations. Implemented in Riverbed Modeler, this algorithm shows its efficiency. Then, new problems arise about its real implementation (distributed, centralized, ...).

Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζεται η εκμετάλλευση της διαφορετικότητας πολλών χρηστών και της προσαρμοστικής διαμόρφωσης στα OFDMA συστήματα. Οι αλγόριθμοι που εκμεταλλεύονται αυτά τα κέρδη δεν προσδιορίζονται από το πρότυπο WiMAX, και έτσι όλοι οι κατασκευαστές WiMAX να είναι ελεύθεροι να αναπτύξουν τις δικές τους καινοτόμες διαδικασίες. Η ιδέα είναι η ανάπτυξη αλγορίθμων για την κατανομή των υποφορέων στους χρήστες, για τον προσδιορισμό των ποσοτήτων ισχύος σε αυτούς. Η μελέτη εστιάζεται στην κάτω ζεύξη (downlink) του συστήματος OFDMA, δηλαδή στη μετάδοση δεδομένων από το σταθμό βάσης της κυψέλης στους χρήστες – δέκτες. Οι διαθέσιμοι πόροι του συστήματος είναι οι ορθογώνιοι υποφορείς και η συνολική διαθέσιμη ισχύς στο σταθμό βάσης. Οι χρήστες κάνουν εκτίμηση και ανατροφοδότηση της πληροφορίας κατάστασης του καναλιού (CSI-channel state information) σε έναν κεντρικό σταθμό βάσης, όπου υποφορείς και κατανομή ισχύος προσδιορίζονται σύμφωνα με CSI των χρηστών και τη διαδικασία κατανομής των διαθέσιμων πόρων. Μόλις οι υποφορείς για κάθε χρήστη καθοριστούν, ο σταθμός βάσης πρέπει να ενημερώνει τον κάθε χρήστη για το ποιοι υποφορείς έχουν ανατεθεί στον καθένα. Συνήθως, η κατανομή των πόρων πρέπει να γίνεται σε χρονικά διαστήματα της τάξης του χρόνου συνοχής, αν και μπορεί να γίνει πιο συχνά, αν υπάρχουν πολλοί χρήστες που ανταγωνίζονται για τους πόρους που είναι διαθέσιμοι. Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζονται διαφορετικά σενάρια κατανομής των πόρων που περιλαμβάνουν αλγορίθμους για την ανάθεση των υποφορέων και το διαμοιρασμό των κατάλληλων ποσοτήτων ισχύος στους υποφορείς. Ανάλογα με το στόχο και τις ανάγκες των χρηστών του συστήματος, καθώς και με το ποσό της διαθέσιμης πληροφορίας καναλιού στο σταθμό βάσης, χρησιμοποιούνται διαφορετικοί αλγόριθμοι. Η κατανομή των διαθέσιμων πόρων συνήθως διατυπώνεται ως πρόβλημα βελτιστοποίησης με περιορισμούς, είτε (1) ελαχιστοποίηση της συνολικής εκπεμπόμενης ισχύoς με περιορισμό στο ρυθμό μετάδοσης δεδομένων στο χρήστη είτε (2) μεγιστοποίηση του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων με περιορισμό στην συνολική εκπεμπόμενη ισχύ. Ο αλγόριθμος με περιορισμό αναλογίας των ρυθμών μετάδοσης (Proportional Rate Constraints algorithm - PRC) έχει ως στόχο τη μεγιστοποίηση της συνολικής διεκπεραίωσης με τον περιορισμό ότι ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων σε κάθε χρήστη είναι ανάλογος με ένα σύνολο από προκαθορισμένες παραμέτρους του συστήματος. Ενώ ο στόχος του αλγόριθμου μέγιστου ολικού ρυθμού μετάδοσης (MSR- maximum sum rate algorithm), είναι η μεγιστοποίηση του συνόλου των ρυθμών μετάδοσης όλων των χρηστών, λαμβάνοντας υπόψη έναν περιορισμό της συνολικής εκπεμπόμενης ισχύoς. / In this diploma thesis, multiuser diversity and adaptive modulation in OFDMA systems is considered. Algorithms that take advantage of these gains are not specified by the WiMAX standard, and all WiMAX developer are free to develop their own innovative procedures. The idea is to develop algorithms for determining which users to schedule, how to allocate subcarriers to them, and how to determine the appropriate power levels for each user on each subcarrier. The downlink of a single-cell system is considered in the downlink transmission. The available resources to be distributed among the users of the OFDMA system comprise the subcarriers over which the signals of the users are transmitted and the available power that is allocated among subcarriers. Users estimate and feedback the channel state information (CSI) to a centralized base station, where subcarrier and power allocation are determined according to users’ CSI and the resource-allocation procedure. Once the subcarriers for each user have been determined, the base station must inform each user which subcarriers have been allocated to it. Typically, the resource allocation must be performed on the order of the channel coherence time, although it may be performed more frequently if a lot of users are competing for resources. In this diploma thesis, different resource allocation strategies for the downlink of an OFDMA system are compared. Each algorithm has a different objective. The resource allocation is usually formulated as a constrained optimization problem, to either (1) minimize the total transmit power with a constraint on the user data rate or (2) maximize the total data rate with a constraint on total transmit power. The proportional rate constraints (PRC) algorithm is to maximize the sum throughput, with the additional constraint that each user’s data rate is proportional to a set of predetermined system parameters. While the objective of the maximum sum rate (MSR) algorithm, is to maximize the sum rate of all users, given a total transmit power constraint.

Ο αριθμός των συνδρομητών κινητής τηλεφωνίας έχει αυξηθεί σημαντικά τα τελευταία χρόνια. Σε μεγάλο βαθμό οι φωνητικές υπηρεσίες εξυπηρετούνται από κινητά δίκτυα, ενώ παράλληλα αυξήθηκε σε μεγάλο βαθμό η χρήση των δεδομένων στα δίκτυα εκείνα που εφαρμόστηκε το 3GPP High Speed Packet Access (HSPA), αποδεικνύοντας ότι οι χρήστες επιδοκιμάζουν τη χρήση δεδομένων που παρέχονται ασύρματα με ευρυζωνικές ταχύτητες. Ο μέσος αριθμός χρήσης δεδομένων ξεπερνά τα εκατοντάδες megabytes ανά χρήστη κάθε μήνα. Τα ασύρματα δίκτυα πρέπει να αυξήσουν τις ταχύτητες μετάδοσης δεδομένων έτσι ώστε να πλησιάσουν εκείνες της ενσύρματης επικοινωνίας. Οι χρήστες είναι συνηθισμένοι να χρησιμοποιούν ενσύρματα δίκτυα και έτσι περιμένουν από τα ασύρματα δίκτυα να προσφέρουν συγκρίσιμες αποδόσεις με χαμηλό κόστος μετάδοσης δεδομένων. Το 3GPP Long Term Evolution (LTE) είναι σχεδιασμένο να επιτύχει αυτούς τους στόχους. Η τεχνολογία LTE προσφέρει κλιμακωτό εύρος ζώνης (απο 1.25 έως 20 MHz) με ρυθμούς μετάδοσης στα 100 Mbps για τον κατερχόμενο σύνδεσμο και στα 50 Mbps για τον ανερχόμενο. Αυτές οι πτυχές συνοδευόμενες από την τεχνολογία πρόσβασης που χρησιμοποιείται, η οποία είναι η OFDM (Orthogonal frequency division multiplexing), βελτιώνουν τη ρυθμαπόδοση του χρήστη και τη χωρητικότητα, ενώ μειώνουν τις καθυστερήσεις προσφέροντας παράλληλα βελτιωμένες συνθήκες κατά την κινητικότητα του χρήστη. Η OFDM προσφέρει επίσης μεγαλύτερη ανέχεια σε φαινόμενα όπως η εξασθένιση και το multipath σε σύγκριση με τεχνολογίες που εφαρμόζονταν σε προηγούμενα δίκτυα. Επίσης, είναι σημαντικό να αναφερθεί ότι το LTE χρησιμοποιεί τη μεταγωγή πακέτων και χρησιμοποιεί την τεχνολογία πολλαπλών κεραιών καθώς επίσης πολυπλεξία στο επίπεδο του χρόνου και της συχνότητας. Τέλος, υποστηρίζει unicast και multicast μετάδοση, τόσο σε microcell (κελιά μικρότερου εύρους) όσο και macrocell (μεγαλύτερα κελιά) περιβάλλον. Το αντικείμενο που μελετάται σε αυτή τη διπλωματική είναι το πρόβλημα του περιορισμού των παρεμβολών οι οποίες επηρεάζουν σε μεγάλο βαθμό την απόδοση των LTE συστημάτων. Ιδιαίερη μελέτη γίνεται όσο αφορά στην Inter Cell παρεμβολή και στις Inter Cell Interference Coordination τεχνικές. Συγκεκριμένα, η έρευνα εστιάζει στη βελτίωση της απόδοσης των χρηστών μειώνοντας την παρεμβολή μέσω διαφόρων σχημάτων επαναχρησιμοποίησης συχνότητας. / The number of mobile subscribers has increased tremendously in recent years. Voice communication has become mobile in a massive way and the mobile is the preferred way for voice communication. At the same time the data usage has grown fast in those networks where 3GPP High Speed Packet Access (HSPA) was introduced indicating that the users find value in broadband wireless data. The average data consumption exceeds hundreds of Megabytes per subscriber per month. Wireless networks must make data rates higher in order to match the user experience provided by wireline networks. When customers are used to wireline performance, they expect the wireless network to offer comparable performance with low cost of data delivery. 3GPP Long Term Evolution (LTE) is designed to meet those targets. LTE technology offers scalable bandwidth (from 1.25 up to 20 MHz), with transmission rates of 100 Mbps in downlink and 50 Mbps in uplink. These aspects accompanied with the access technology used, which is the OFDM (Orthogonal frequency division multiplexing), improves end-user throughputs, sector capacity and reduces user plane latency, bringing significantly improved user experience with full mobility. OFDM also offers bigger tolerance in phenomena such as multipath and fading compared to technologies used in previous mobile networks. It is also important to be mentioned that LTE is fully packet switched and uses multiple antenna techniques along with FDD and TDD duplexing. Finally, it supports unicast and multicast transmission, in both microcell and macrocell environment. The subject studied in this thesis is the problem of mitigating Interferences which dramatically affects the performance of LTE system. Extensive study is done concerning Inter Cell Interference and Inter Cell Interference Coordination techniques. In particular, research focuses in enhancing users’ performance by reducing interference via varius schemes of frequency reuse.

Cette thèse est consacrée à l’étude de la modulation OFDM/OQAM en tant qu’alternative à la modulation OFDM. Nous traitons plus particulièrement le contexte multiusagers. De ce point de vue, les aspects de synchronisation sont déterminants. Les différentes options plus le choix de la forme d’onde sont donc examinés de ce point de vue. Un autre objectif est de montrer de manière précise comment la modulation OFDM/OQAM peut s’adapter à une transmission de type cellulaire, en prenant comme référence le système 3GPP/LTE. Les principales contributions que nous avons apportées sont : 1) Une analyse des phénomènes de désynchronisation : nous analysons l’effet de la désynchronisation, suivant les axes temporel et fréquentiel, sur les performances de l’OFDM/OQAM au récepteur. 2) Méthode de synchronisation : nous analysons une méthode de synchronisation temporelle définie dans un contexte de transmission OFDM/OQAM mono-usager et nous l’adaptons à un scénario de type multi-usagers. 3) Proposition d’un schéma d’accès multiple : nous proposons un schéma d’accès multiple basé sur la modulation OFDM/OQAM, alternatif aux techniques connues OFDMA et SC-FDMA, pour la transmission en liaison montante dans un contexte de type 3GPP/LTE. / This thesis is dedicated to the study of the OFDM/OQAM modulation as an alternative to the OFDM modulation. We treat more especially the multi-user environment. In this respect, synchronization aspects are crucial. The different options plus the choice of the waveform are examined in this point of view. Another objective is to precisely show how the OFDM/OQAM can be adapted to a cellular transmission type, taking as reference the 3GPP/LTE system. The main contributions we have made are : 1) Analysis of the desynchronization phenomena : we analyze the effect of desynchronization, according to the time and frequency axes, on the performance of OFDM/OQAM at the receiver side. 2) Synchronization method : we analyze a method of temporal synchronization defined in a single user OFDM/OQAM transmission and we adapt it to a multi-user scenario type. 3) Proposing for a multiple access scheme : we propose a multiple access scheme based on theOFDM/OQAM modulation, alternative to the known techniques OFDMA and SC-FDMA, for the UL transmission in a 3GPP/LTE context.

Le Cloud RAN a été préconisé pour la 5G. Cependant, sa mise en place rencontre des difficultés notamment sur l'intégration du fronthaul, ce dernier généralement basé sur l’interface CPRI représente le segment situé entre la Digital Unit et la Radio Unit. Vu les contraintes de débit, de latence et de gigue sur cette interface, le multiplexage en longueur est la solution adéquate pour son transport. En revanche, les technologies radio recommandées pour la 5G augmenteront considérablement les débits CPRI, ce qui rend l’utilisation du WDM bas coût très difficile. Cette thèse traite quatre sujets principaux : L'introduction d'un canal de contrôle dans le CPRI permettrait la supervision de l'infrastructure WDM et l'accordabilité en longueurs d'onde des transceivers. L’impact de l’intégration de ce canal de contrôle dans le fronthaul est étudié dans le chapitre II. La radio analogique sur fibre peut améliorer de manière significative l'efficacité spectrale du fronthaul, permettant potentiellement le transport des interfaces 5G. Une étude approfondie sur le gain réel apporté par cette solution est rapportée dans le chapitre III. La compression du CPRI basée sur la quantification uniforme et non uniforme est également une solution pour améliorer l'efficacité spectrale du CPRI. Le chapitre IV démontre expérimentalement les taux de compression réalisables. Enfin, les nouveaux splits fonctionnels sont considérés comme une solution prometteuse pour la 5G. Deux nouvelles interfaces ont été identifiées pour les splits couche haute et couche basse. Une étude théorique et expérimentale de ces nouvelles interfaces est présentée dans le chapitre V. / Cloud Radio Access Network (RAN) was identified as a key enabler for 5G. Its deployment is however meeting multiple challenges notably in the fronthaul integration, the latter being the segment located between the Digital Unit and the Radio Unit generally based on CPRI. Giving its bit-rate, latency and jitter constrains, Wavelength Division Multiplexing (WDM) is the most adequate solution for its transport. However, the radio technologies recommended for 5G will drastically increase the CPRI bit-rate making its transport very challenging with low-cost WDM. This thesis deals with four main topics : The introduction of a control channel in the CPRI enables offering the WDM infrastructure monitoring and the wavelength tunability in the transceivers. The study of this control channel integration in the fronthaul link is reported in the second chapter as well as an investigation on the wireless transmission of CPRI. The use of Analog Radio over Fiber (A-RoF) can significantly improve the fronthaul spectral efficiency compared to CPRI-based fronthaul enabling, potentially, the transport of 5G interfaces. A thorough investigation on the actual gain brought by this solution is stated in the third chapter. CPRI compression based on uniform and non-uniform quantization is also a solution to enhance the CPRI spectral efficiency. The fourth chapter describes this solution and experimentally shows the achievable compression rates. Finally, establishing a new functional split in the radio equipment was considered as a promising solution for 5G. Two new interfaces have been identified for high and low layer functional splits. A theoretical and experimental study of these new interfaces is reported in the fifth chapter.

Dans cette thèse une étude des performances des systèmes OFDM et FBMC/OQAM en présence d'amplificateur de puissance sans mémoire en terme de TEB est présentée. Ensuite, nous avons proposé une technique de linéarisation d'AP par pré-distorsion adaptative neuronale. Aussi, nous avons proposé deux techniques de correction des non-linéarités au niveau du récepteur. / In our work, we have studied the impact of in-band non linear distortions caused by PA on both OFDM and FBMC/OQAM systems. A theoretical approach was proposed to evaluate the BER performance for the two systems. This approach is based on modeling the in-band non-linear distortion with a complex gain and an uncorrelated additive white Gaussian noise, given by the Bussgang theorem. Then, we have proposed different techniques to compensate this NLD either on the transmitter or the receiver sides.

De nouveaux usages des systèmes de communications sans fils, tels que les réseaux de capteurs ou les voitures autonomes, ont émergé au cours des dernières années. Ces usages sont fondamentalement différents des applications haut-débit actuelles des réseaux cellulaires. La future technologie mobile, la 5G New Radio, introduit donc le concept de numérologie du signal afin de pouvoir satisfaire aux besoin hétérogènes des multiples applications supportées. En effet en supportant différentes numérologies de signaux, l'allocation temps/fréquence des signaux devient plus flexible et le signal transmis peut être adapté en conséquence. Cependant, supporte simultanément différentes numérologies génère de l'interférence et donc distord les signaux. Les filtrages spatiaux, comme la formation de faisceaux, est envisagée en 5G pour limiter l'interférence générée mais pour les communications au-dessus de 6 GHz. Il n'y a cependant pas de solutions proposées pour mes communications en-dessous de 6 GHz. Dans ce travail, des techniques d'atténuation des lobes secondaires sont étudiées pour faciliter le multiplexage des services pour les communications sous 6 GHz. L’interférence entre-utilisateurs est alors contrôlée mais la bande est également mieux utilisée. Une solution innovante, combinant bancs de filtres et orthogonalité complexe, est proposée. L'orthogonalité complexe est garanti grâce à un précodage OFDM qui remplace le précodage OQAM communément utilisé. De plus, le système développé, le Block-Filtered OFDM, utilise un récepteur 5G classique ce qui garantit la retro-compatibilité avec les techniques déjà déployée. Le modèle du BF-OFDM est entièrement décrit et adapté aux normes des réseaux mobiles. De plus, de multiples méthodes de conception des filtres prototypes sont proposées afin de mieux répondre aux besoins des systèmes. La forme d'onde étudiée est également comparée avec les autres solutions de l'état de l'art sur des scénarios d'étude classiques mais également adaptés aux nouveaux enjeux des technologies sans fils. / New use cases for wireless communications recently emerged ranging from massive sensor networks to connected cars. These applications highly differ from typical signals supported by already deployed mobile technologies, which are mainly high data rate pipes. The forthcoming generation of mobile technology, 5G New Radio, introduces the concept of signal numerology so as to properly serve the requirements of the diverse applications it will support. Indeed by considering different numerologies, the time/frequency signal allocation is made more flexible which allows to shape the transmitted signal according to its needs. However, multiplexing signals with different numerologies generates interference and therefore signal distortion. Spatial filtering, such as beamforming, is envisioned for 5G above 6-GHz communications to limit inter-user interference. However, this issue still holds for sub-6 GHz systems where spatial filtering is not considered in 5G.In this work, we consider side lobe rejection techniques to ease service multiplexing in sub-6 GHz bands. Not only it provides inter-user interference mitigation but it also improves the bandwidth use efficiency in bands where frequency is a scarce resource. A novel solution, mixing filter-bank for confined spectrum and complex orthogonality for a straightforward re-use of known-how 4G/5G techniques, is proposed. The complex orthogonality is restored thanks to an OFDM precoding substituting the commonly used Offset-QAM signaling which limits the orthogonality to the real field. Moreover, the proposed solution, named Block-Filtered Orthogonal Frequency Division Multiplexing (BFOFDM), relies on a simple 5G receiver scheme which makes it backward compatible with already deployed technologies.The BF-OFDM system model is fully described and adapted to cellular standards. Besides, different prototype filter designs methods are proposed to either improve the intrinsic interference attenuation or to better confined the spectrum of the transmitted signal. Last but not least, the proposed waveform will be compared with state-of-the-art solutions for both typical and 5G oriented evaluation scenarios such as multi-service coexistence.

Dans cette thèse, nous proposons une méthodologie de conception d’architectures de communication dédiées aux réseaux de capteurs basées sur la technique de radio impulsionnelle pour les transmissions ultralarge bande (ULB). La technique impulsionnelle proposée ici repose sur la modulation de forme d’impulsion. L’approche de conception architecturale présentée dans cette thèse se focalise plus particulièrement sur la forme des impulsions et leur génération, qui revêt un intérêt majeur puisqu’elle constitue le support de l’information échangée. L’étude sur le choix de la forme d’impulsion nous a conduit à proposer deux architectures différentes. Une première architecture repose sur les polynômes orthogonaux, et plus particulièrement sur les polynômes d’Hermite, pour la génération des impulsions, et sur une architecture de corrélation pour la détection et la reconnaissance des trains d’impulsions transmis. La deuxième architecture est basée sur la transformée en paquets d’ondelettes discrète et peut être exploitée selon deux modes d’utilisation différents, mono et multiutilisateurs. L’utilisation d’une architecture de synthèse à l’émission et d’analyse à la réception ouvre une nouvelle orientation pour les communications numériques, permettant à la transformée en ondelettes d’assurer à la fois la génération des impulsions à l’émission et leur reconnaissance à la réception. Un intérêt immédiat de la technique proposée permet notamment de faciliter l’accès multiutilisateurs au canal ultralarge bande, et d’autoriser des communications simultanées (Many-to-one, des nœuds vers le puits) ou du broadcast (One-to-many, du puits vers les nœuds) sans surcharger la couche MAC. L’architecture proposée s’inscrit donc à l’interface des couches PHY et MAC et permet de relâcher les contraintes de conception spécifiques à ces couches / In this thesis, we propose a design methodology for communication architectures dedicated to wireless sensor network based on impulse radio techniques for UWB communications. The impulse technique proposed in this work relies on pulse shape modulation. The architecture design approach proposed in this thesis focuses on pulses shape and their generation, which is of major interest as it constitutes the carrier of the information exchanged. The study on the choice of pulse shape led us to propose two different architectures. The first one is based on orthogonal polynomials, more especially on the Hermite polynomials, for impulse generation, and on a correlation architecture for detection and recognition of transmitted impulses. The second architecture is based on discrete wavelet packet transform and can be used according two different modes, mono and multi-users. The use of both synthesis and analysis architectures for emitter and receiver, respectively, offers a new way for digital communications and allows the wavelet transform to ensure the impulses generation on the transmitter and their recognition on the receiver. A major interest point of the proposed technique is to facilitate the multi-users access to the ultra-wideband channel and to allow simultaneous communications (many-to-one, from the sensors to the sink) or broadcast (one-to-many, from the coordinator to the nodes) but without overloading the MAC layer. Hence, the proposed architecture is part of the interface between both PHY and MAC layers, and allows to release their specific design constraints

Αντικείµενο της παρούσας διατριβής είναι η αξιοποίηση των γραµµών χαµηλής τάσης εντός κτιρίων για τη δηµιουργία ενός τοπικού δικτύου επικοινωνιών για µετάδοση δεδοµένων σε υψηλές ταχύτητες µε σκοπό την παροχή υπηρεσιών ευρείας ζώνης στον τελικό χρήστη. Η χρήση του δικτύου παροχής ηλεκτρικής ενέργειας ως επικοινωνιακό µέσο σε υψηλές συχνότητες εξαρτάται από την αντιµετώπιση των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών της συµπεριφοράς του, που περιλαµβάνουν επιλεκτική εξασθένηση πλάτους συναρτήσει της συχνότητας, παραµόρφωση φάσης που εξαρτάται από τα µήκη των γραµµών, ισχυρό κρουστικό θόρυβο και παρεµβολές στενής ζώνης. Οι συνθήκες µετάδοσης επηρεάζονται επίσης δυσµενώς από την εξάρτηση των παραπάνω χαρακτηριστικών από το χρόνο, η οποία οφείλεται στη µεταβολή της φόρτισης του δικτύου. Η σύγχρονη αντιµετώπιση του επικοινωνιακού µέσου στηρίζεται σε εµπειρικά µοντέλα συµπεριφοράς, που πηγάζουν από µετρητικά δεδοµένα σε πειραµατικά δίκτυα και επιχειρεί να καλύψει αξιόπιστα µε κατάλληλες τεχνικές µετάδοσης τη ‘χειρότερη’ περίπτωση σε ότι αφορά τις συνθήκες του καναλιού, χωρίς να βοηθά στην κατανόηση των παραγόντων που επηρεάζουν τη συµπεριφορά του µέσου, ώστε να είναι εφικτή και η ουσιαστική αντιµετώπισή τους. Η παρούσα εργασία ακολουθεί µια διαφορετική προσέγγιση για την αξιοποίηση του µέσου, που στοχεύει στην ουσιαστική αντιµετώπιση της χρονικά µεταβαλλόµενης συµπεριφοράς του µέσου, προτείνοντας διαδικασίες και τεχνικές που προσαρµόζουν τη µετάδοση στο υφιστάµενο επικοινωνιακό περιβάλλον. Η ανάπτυξη των διαδικασιών αυτών στηρίχθηκε σε ένα πρότυπο περιβάλλον επικοινωνιών που καλείται pDSL (powerline Digital Subscriber Lines) και προτάθηκε για να αποτελέσει το πλαίσιο, σύµφωνα µε το οποίο αναπτύχθηκαν διαδικασίες ανίχνευσης και προσαρµογής της µετάδοσης στις συνθήκες του καναλιού. Στο pDSL περιβάλλον ορίζονται επικοινωνιακά κανάλια που ισοδυναµούν µε ‘σηµείο-προς-σηµείο’ ζεύξεις µεταξύ της pDSL πύλης (κεντρική µονάδα του δικτύου και µονάδα διασύνδεσης του τοπικού δικτύου µε άλλα δίκτυα) και των pDSL επικοινωνιακών συσκευών, όπως ονοµάζονται οι ηλεκτρονικές συσκευές που απαιτούν υπηρεσίες µετάδοσης δεδοµένων υψηλών ταχυτήτων. Η ανάπτυξη των τεχνικών µετάδοσης που αντιµετωπίζουν τις συνθήκες που επικρατούν στο επικοινωνιακό µέσο στηρίζεται στο χαρακτηρισµό της συµπεριφοράς του. Πρώτο βήµα της διαδικασίας αυτής αποτελεί η σύνδεση της απόκρισης του καναλιού µετάδοσης µε τα χαρακτηριστικά του δικτύου γραµµών. Για το σκοπό αυτό, αναπτύχθηκε και παρουσιάζεται ένας αλγόριθµος ανάλυσης της πολυοδικής µετάδοσης του σήµατος στο δίκτυο των γραµµών χαµηλής τάσης, ο οποίος προσδιορίζει µε αναλυτικό τρόπο τα προϊόντα της µετάδοσης που πραγµατοποιείται µέσω πολλαπλών διαδροµών στο δίκτυοκαι συνθέτει την κρουστική και φασµατική απόκρισή του. Ο αλγόριθµος βασίζεται στην περιγραφή της τοπολογίας, των χαρακτηριστικών µετάδοσης των καλωδίων και των εµπεδήσεων των φορτίων τερµατισµού της. Η εργασία περιλαµβάνει επίσης την ανάπτυξη δύο πειραµατικών µεθοδολογιών µε τις οποίες πραγµατοποιείται η εκτίµηση των χαρακτηριστικών µετάδοσης των καλωδίων χαµηλής τάσης στις υψηλές συχνότητες και της εµπέδησης των ηλεκτρικών φορτίων που συνδέονται στα δίκτυα αυτά. Τα µεγέθη αυτά προκαλούν την εξάρτηση της συµπεριφοράς του µέσου µετάδοσης από τη συχνότητα και το χρόνο και ο προσδιορισµός τους είναι αναγκαίος για την εφαρµογή της ανάλυσης και της πρόβλεψης της συµπεριφοράς του καναλιού µε τη βοήθεια του αλγορίθµου ανάλυσης. Η αξιοπιστία των µεθόδων πιστοποιήθηκε µε τη σύγκριση της πειραµατικής και της θεωρητικής συνάρτησης µεταφοράς των καναλιών που σχηµατίζονται σε πειραµατικές τοπολογίες γραµµών χαµηλής τάσης, οι οποίες κατασκευάστηκαν για το σκοπό αυτό. Στην παρούσα εργασία, η ανάλυση της συµπεριφοράς του µέσου πλαισιώνεται µε τη σχεδίαση και την υλοποίηση ενός εξοµοιωτή πραγµατικού χρόνου του επικοινωνιακού καναλιού, ο οποίος εξοµοιώνει τη χρονικά µεταβαλλόµενη συµπεριφορά του µέσου µε βάση την τοπολογία και τη φόρτιση του. Ο εξοµοιωτής αυτός µπορεί να αποτελέσει πολύτιµο εργαλείο ελέγχου νέων τεχνικών µετάδοσης, κάτω από διαφορετικές συνθήκες επικοινωνίες. Τέλος, µε βάση το χαρακτηρισµό της συµπεριφοράς του επικοινωνιακού µέσου που προηγήθηκε επιχειρείται η ανάπτυξη διαδικασιών που αποσκοπούν στην ανίχνευση των συνθηκών που επικρατούν στο επικοινωνιακό κανάλι και στην προσαρµογή της τεχνικής µετάδοσης σε αυτές, στα πλαίσια της pDSL αρχιτεκτονικής επικοινωνιών. Για την ανίχνευση των συνθηκών µετάδοσης στις επικοινωνιακές ζεύξεις αναπτύχθηκαν δύο επιµέρους διαδικασίες: η ‘αρχική συνθηκοθέτηση’ του καναλιού, που πραγµατοποιείται κατά την αρχικοποίηση των επικοινωνιακών ζεύξεων και η ‘ενδιάµεση συνθηκοθέτηση’ που εκτελείται περιοδικά και επανεκτιµά τις συνθήκες του καναλιού κατά τη διάρκεια της µετάδοσης. Η δεύτερη διαδικασία, η οποία υπόκειται σε εξαιρετικά αυστηρούς χρονικούς περιορισµούς, πλαισιώθηκε από µια µέθοδο πρόβλεψης της συµπεριφοράς του µέσου που επιταχύνει και συµπληρώνει τη διαδικασία ‘ενδιάµεσης συνθηκοθέτησης’ και βασίζεται στη διαθέσιµη πληροφορία εκτίµησης του καναλιού και στον αλγόριθµο ανάλυσης της µετάδοσης στο κανάλι. Η προτεινόµενη διαδικασία προσαρµογής της µετάδοσης στις τρέχουσες συνθήκες που επικρατούν στο κανάλι στοχεύει στην κατάλληλη ανακατανοµή του διαθέσιµου εύρους ζώνης στις επικοινωνιακές ζεύξεις, Η διαδικασία αξιοποιεί την πληροφορία της εκτίµησης των συνθηκών στο µέσο και επιχειρεί να χαρακτηρίσει τα διαθέσιµα υπο-κανάλια ως προς την καταλληλότητα τους για µετάδοση δεδοµένων, ώστε να τα κατανείµει µε βέλτιστο τρόπο στις ζεύξεις, ανάλογα µε τις απαιτήσεις τους σε ρυθµό µετάδοσης.