Le medium sans fil est une ressource partagée et limitée. Les normes sans fil actuelles partagent toujours le principe de partage du medium Half-Duplex: la transmission et la réception de signaux sont effectuées dans deux intervalles de temps distincts ou deux bandes de fréquences différentes. En outre, l'émetteur-récepteur ne peut émettre et recevoir qu’un signal à la fois. Cette thèse suit une autre approche: au lieu de partager le support avec le principe de Half-Duplex, toute la bande de fréquence autorisée est partagé pour la transmission et la réception simultanée, approche qui est appelée Full-Duplex. Dès lors, on peut concevoir une architecture d'un émetteur-récepteur radio flexible à large bande pour traiter deux types de signaux différents à la fois. Pour approcher cet objectif, nous utilisons une méthode de suppression active analogique de l’auto-interférence (AARFSIC) et l'annulation active numérique d'auto interférence dans le domaine temporel (ADSICT) pour annuler la forte auto-interférence (SI) induite par le principe Full-Duplex. Basé sur la radio Full-Duplex, nous proposons un système flexible Dual-Band (FDDB) émetteur-récepteur radio OFDM-Full Duplex en la combinant avec un front-end RF double bande. S'appuyant sur ces principes, nous exposons trois contributions principales: Nous présentons une technique d’annulation analogique de l’auto-interférence (ASIC), qui peut annuler complètement l’auto-interférence à trajet direct ou multi-trajets, basée sur la combinaison des méthodes AARFSIC et DSICT. Ensuite, nous présentons la conception et l'évaluation d'une radio OFDM Full-Duplex, y compris l'analyse et la qualification de l'impact du bruit thermique et du bruit de phase sur les performances du système. Enfin, nous développons une radio dual-bande FDDB OFDM qui peut fonctionner sur deux fragments de spectre séparés. Afin d'éliminer l'impact du déséquilibre I/Q sur la radio FDDB, une méthode d’estimation des déséquilibres I/Q et de compensation, simple mais efficace, est présentée. La simulation au niveau système menée avec ADS et Matlab montre que cette méthode peut effectivement compenser des déséquilibres I/Q aussi bien élevés que faibles. / The wireless medium is a shared and limited resource. Current wireless standards always share the medium with Half-Duplex principle: the transmission and reception of signals are done in two separate time slots or two different frequency bands. Besides, the transceiver can only transmit and receive one signal at a time. This dissertation takes an alternate approach: Instead of sharing the medium with Half-Duplex principle, the entire licensed frequency band is shared for simultaneous transmission and reception, which we call Full-Duplex. Besides, the design concept for a wideband flexible radio transceiver can process two different types of signals at a time. To approach this goal, we use an active analog radio frequency self-interference cancellation (AARFSIC) method or a combination scheme of the AARFSIC and active digital self interference cancellation in time domain (ADSICT) to cancel the strong self-interference (SI) induced by the Full-Duplex principle. Based on the Full-Duplex radio, we propose a flexible Full-Duplex Dual-Band (FDDB) OFDM radio transceiver by combining it with a Dual-Band RF front-end. Building on these, we make three main contributions: We present an active self-interference cancellation (ASIC) scheme, which can cancel both the strong one-path and multi-path SI completely, based on the combination of the AARFSIC and DSICT. Next, we introduce the design and evaluation of a Full-Duplex OFDM radio, including the analysis and qualification of the impact of the thermal noise and phase noise on the system performance. Finally, we develop a FDDB OFDM radio that can work on two separate spectrum fragments. In order to eliminate the impact of the I/Q imbalance on the FDDB radio, a simple but practical digital I/Q imbalance estimation and compensation method is presented. The system level simulation conducted with ADS and Matlab software shows that this method can effectively compensate both high and low I/Q imbalance.

La compagnie Sigfox est reconnue comme un acteur prometteur pour des transmissions de longue-distance et faible consommation, dans le contexte de l'IoT. La modulation à bande ultra étroite (Ultra Narrow Band (UNB)), la technologie de communication choisie par Sigfox, permet de transmettre des informations dans des bandes de signal très étroites (typiquement 100 Hz). A cause de l'imprécision fréquentielle causée par les oscillateurs générateurs de fréquence, il n'est pas réaliste de transmettre des signaux UNB dans des canaux parfaitement orthogonaux. L'accès naturel au canal radio pour le système de UNB est de type ALOHA, avec un aspect aléatoire à la fois en en temps et en fréquence. Cet accès aléatoire peut introduire des collisions qui dégradent la performance du réseau. Le but de cette thèse est de caractériser la capacité des réseaux basés sur UNB, ainsi que d’améliorer la performance en considérant l'aspect aléatoire en temps et en fréquence. La première contribution de cette thèse, est une évaluation de la capacité en théorie et en simulation pour une seule station de base (BS), sous des conditions de canal idéaliste ou réaliste. En conditions idéalistes, nous avons exprimé la capacité pour le cas de l'ALOHA généralisé, et l'avons étendu aux cas de réplications. Pour les conditions réalistes, nous avons pris en compte l'interférence spectrale d'UNB et le path loss (sans et avec Rayleigh fading) afin de caractériser la performance des réseaux UNB, avec l'outil géométrie stochastique. La deuxième contribution est d'appliquer l’annulation successive d'interférence (SIC), qui nous permet d'atténuer les interférences, dans des réseaux de UNB. Nous avons fourni une analyse théorique de la performance des réseaux en considérant le SIC et l'interférence spectrale de UNB, pour le cas de mono-BS. La troisième contribution est l'amélioration de la performance des réseaux UNB, en exploitant la diversité de multi-BS. Nous avons fait une analyse théorique de performance en considérant multi-BS et selection combining (SC). En particulier, nous avons considéré que l’interférence vue par chaque BS est corrélée. Nous avons ainsi démontré mathématiquement que cette corrélation ne peut pas être supprimée dans des systèmes UNB. Ensuite, nous avons appliqué les technologies de la combinaison des signaux plus complexes comme MRC (max ratio combining) et EGC (equal gain combining), ainsi que le SIC à travers multi-BS. Nous avons évalué l'amélioration de performance que chaque technologie apporte, et les avons comparées. Nous avons souligné l'efficacité de ces technologies qui nous permettent d’obtenir des gains importants comparés au cas mono-BS (e.x. 125 fois plus de réduction d'erreur avec SIC globale). La dernière contribution est une validation expérimentale du modèle d'interférence spectrale de UNB, ainsi que la capacité des réseaux UNB, sur un testbed de radio FIT/Cortexlab. / Sigfox rises as a promising candidate dedicated for long-distance and low-power transmissions in the IoT backgrounds. Ultra Narrow Band (UNB), being the communication technology chosen by Sigfox, allows to transmit information through signals whose bandwidth is very limited, typically 100 Hz. Due to the imprecision restraint on electronic devices, it is impossible to transmit UNB signals in orthogonal channels. The natural radio access for this kind of system is thus random ALOHA, in both time and frequency domain. This random access can induce collisions which degrades the networks performance. The aim of this thesis is to characterize the capacity of UNB based networks, as well as to enhance its performance, by considering the randomness in time and frequency. The first contribution of the thesis, is the theoretical and numerical capacity evaluation under idealized and realistic channel conditions, for mono base station (BS) case. Under idealized conditions, we have quantified this capacity for generalized ALOHA case and extended for replications. We highlight the time-frequency duality in UNB systems, and that there exists an optimum replication number for a given network parameter set. Under realistic conditions, we have taken into account the specific spectral interference of UNB systems and propagation path loss (without and with Rayleigh fading) to characterize the performance, with the aid of stochastic geometry. The second contribution is the enhancement of UNB network performance in single BS case. We propose to use successive interference cancellation (SIC) in UNB networks, which allows to mitigate the interference. We have provided a theoretical analysis by considering both SIC and the spectral interference, for mono-BS case. We bring to light the efficiency of SIC in enhancing UNB system performance. The third contribution is the improvement of UNB systems, by exploiting the multiple BS diversity. An analytical performance evaluation considering the simplest selection combining is conducted. In particular, we consider the interference viewed by all the BSs are correlated. Then we apply more complex signal combining technologies such as MRC (max ratio combining) and EGC (equal gain combining), and even interference cancellation across multi-BS in UNB networks. We evaluate the performance improvement that each technology can bring, and compare them with each other. We highlight the efficiency of these multi-BS technologies which allow us to achieve significant performance enhancement compared to mono-BS (e.x. 125 times better performance with global SIC). Last but not least, we experimentally verify the the spectral interference model and network capacity on a cognitive radio testbed.

Du fait de la nature ouverte et partagée du canal radio, les communications sans fil souffrent de vulnérabilités sérieuses en terme de sécurité. Dans ces travaux de thèse, je me suis intéressé particulièrement à deux classes d’attaques à savoir l’attaque par relais et l’attaque par déni de service (brouillage). La technologie de couche physique UWB-IR a connu un grand essor au cours de cette dernière décennie et elle est une candidate intéressante pour les réseaux sans fil à courte portée. Mon objectif principal était d’exploiter les caractéristiques de la couche physique UWB-IR afin de renforcer la sécurité des communications sans fil. L’attaque par relais peut mettre à défaut les protocoles cryptographiques d’authentification. Pour remédier à cette menace, les protocoles de distance bounding ont été proposés. Dans ce cadre, je propose deux nouveaux protocoles (STHCP : Secret Time-Hopping Code Protocol et SMCP : Secret Mapping Code Protocol) qui améliorent considérablement la sécurité des protocoles de distance bounding au moyen des paramètres de la radio UWB-IR. Le brouillage consiste en l’émission intentionnelle d’un signal sur le canal lors du déroulement d’une communication. Mes contributions concernant le problème de brouillage sont triples. D’abord, j’ai déterminé les paramètres d’un brouilleur gaussien pire cas contre un récepteur UWB-IR non-cohérent. En second lieu, je propose un nouveau modèle de brouillage par analogie avec les attaques contre le système de chiffrement. Troisièmement, je propose une modification rendant la radio UWB-IR plus robuste au brouillage. Enfin, dans une dernière partie de mes travaux, je me suis intéressé au problème d’intégrer la sécurité à un réseau UWB-IR en suivant l’approche d’embedding. Le principe de cette approche consiste à superposer et à transmettre les informations de sécurité simultanément avec les données et avec une contrainte de compatibilité. Ainsi, je propose deux nouvelles techniques d’embedding pour la couche physique UWB-IR afin d’intégrer un service d’authentification. / Due to the shared nature of wireless medium, wireless communications are more vulnerable to security threats. In my PhD work, I focused on two types of threats: relay attacks and jamming. UWB-IR physical layer technology has seen a great development during the last decade which makes it a promising candidate for short range wireless communications. My main goal was to exploit UWB-IR physical layer characteristics in order to reinforce security of wireless communications. By the simple way of signal relaying, the adversary can defeat wireless authentication protocols. The first countermeasure proposed to thwart these relay attacks was distance bounding protocol. The concept of distance bounding relies on the combination of two sides: an authentication cryptographic side and a distance checking side. In this context, I propose two new distance bounding protocols that significantly improve the security of existing distance bounding protocols by means of UWB-IR physical layer parameters. The first protocol called STHCP is based on using secret time-hopping codes. Whereas, the second called SMCP is based on secret mapping codes. Security analysis and comparison to the state of the art highlight various figures of merit of my proposition. Jamming consists in the emission of noise over the channel while communication is taking place and constitutes a major problem to the security of wireless communications. In a first contribution, I have determined worst case Gaussian noise parameters (central frequency and bandwidth) against UWB-IR communication employing PPM modulation and a non-coherent receiver. The metric considered for jammer optimization is the signal-to-jamming ratio at the output of the receiver. In a second contribution, I propose a new jamming model by analogy to attacks against ciphering algorithms. The new model leads to distinguish various jamming scenarios ranging from the best case to the worst case. Moreover, I propose a modification of the UWB-IR physical layer which allows to restrict any jamming problem to the most favorable scenario. The modification is based on using a cryptographic modulation depending on a stream cipher. The new radio has the advantage to combine the resistance to jamming and the protection from eavesdropping. Finally, I focused on the problem of security embedding on an existing UWB-IR network. Security embedding consists in adding security features directly at the physical layer and sending them concurrently with data. The embedding mechanism should satisfy a compatibility concern to existing receivers in the network. I propose two new embedding techniques which rely on the superposition of a pulse orthogonal to the original pulse by the form or by the position. Performances analysis reveal that both embedding techniques satisfy all system design constraints.