Avec l'émergence des terminaux de communication mobiles plus petits et plus performants, la dissémination de l'information prend une place plus importante dans les réseaux mobiles pair-à-pair ; à l'exemple de la dissémination des messages de routine, des messages d'urgence, ou du contenu multimédia dans les réseaux VANETS (Vehicular Ad hoc NETwork). Dans ce projet de doctorat, nous proposons une approche de dissémination de l'information dans les réseaux mobiles pair-à-pair, dont l'originalité consiste à utiliser les transmissions simultanées dans la même bande de fréquences pour réduire considérablement la durée de la dissémination. Pour ce faire, nous nous intéressons dans la première partie de cette thèse, au décodage des paquets qui résultent de la collision de deux paquets sources sans la connaissance préalable de ces derniers. L'analyse du symbole d'interférence révèle qu'en raison de la présence d'un point de symétrie centrale dans les constellations traditionnelles, le démodulateur conventionnel ne peut distinguer les symboles d'interférence issus de la superposition de symboles sources symétriques. Par conséquent, nous proposons, dans le cadre des transmissions simultanées synchronisées, une constellation dénommée 4-TRAQAM (TRApezoidal Quadrature Amplitude Modulation), qui n'admet pas de symétrie centrale et pour laquelle les régions de décision de tous les symboles d'interférence sont deux à deux disjoints. Dans le cas où les transmissions simultanées sont non synchronisées et effectuées dans un canal bruité dissipatif, nous proposons une modulation multidimensionnelle de dimension quatre appelée MNC (Modulation Network Coding), et dans laquelle deux symboles de dimension deux (symbole pilote et symbole d'information) issus d'une constellation M-PAM (Pulse Amplitude Modulation) de rotation pi/4 sont couplés pour constituer le symbole MNC qui est alors transmis par chaque nœud. Les résultats analytiques et de simulation dans les cas du 4-TRAQAM et du MNC montrent qu'il est ainsi possible de séparer deux symboles constituant une collision avec une faible probabilité d'erreur des symboles. Dans la deuxième partie de cette thèse, pour faire du CRP (Codage Réseau Physique) une technique de dissémination de l'information dans les réseaux mobiles pair-à-pair effective, nous proposons des techniques d'accès multiples propices aux transmissions simultanées contrôlées. Nous présentons ainsi deux protocoles d'accès au canal : le protocole VPNC-MAC (Physical-layer Network Coding based MAC protocol for VANETS) adapté aux réseaux véhicule-à-véhicule à une zone, et le protocole MAP (Medium Access for Physical-layer Network Coding) favorable à la dissémination de l'information dans un réseau véhiculaire multi-saut (plusieurs zones). La spécificité des protocoles d'accès multiple proposés est qu'ils permettent la mise en place des transmissions multiples contrôlées par une approche décentralisée sans avoir recours explicitement à des échanges de messages de contrôle. Les résultats des simulations montrent que la combinaison des techniques d'accès au canal VPNC-MAC ou MAP et des techniques de décodage MNC et/ou 4-TRAQAM permet d'améliorer considérablement la dissémination de l'information dans les réseaux mobiles pair-à-pair, comparativement aux méthodes conventionnelles.

La technique ultra large bande (UWB) par impulsions consiste à émettre des impulsions de courte durée et de faible énergie offrant ainsi la possibilité de transmettre de l'information à de hauts débits et à faible coût. Dans cette thèse nous nous sommes intéressés aux systèmes ultra large bande à accès multiple par répartition de codes de saut temporel (TH-UWB) dans un contexte asynchrone et dans un environnement de propagation à trajets multiples. Un récepteur rake a été mis en place. Nous avons calculé de manière analytique la variance de l'interférence multi-utilisateur (MUI) en sortie de ce récepteur. Ceci nous a permis d'identifier les paires dites optimales qui minimisent cette variance. Nous avons constaté qu'utiliser ces paires permet d'améliorer significativement le taux d'erreur binaire du système. Une démarche similaire a été appliquée aux systèmes DS-UWB et DS-CDMA, en effet ces systèmes s'expriment analytiquement de manière identique au système TH-UWB. Ainsi nous avons pu caractériser les paires optimales. Nous avons ensuite comparé les performances de ces différents systèmes lorsque la variance de la MUI est minimale. La variance de l'interférence entre symboles et entre trames (ISI / IFI) a été calculée analytiquement. Ceci nous a permis de dimensionner le récepteur rake et le temps de garde intelligemment. Nous avons également observé, en absence d'ISI / IFI et de bruit, un seuil sur la probabilité d'erreur. En modifiant légèrement le récepteur, nous avons éliminé ce seuil. Enfin nous avons établi les bornes de Cramer-Rao relatives à l'estimation des paramètres du canal (amplitudes et retards) en supposant que les trajets pouvaient se chevaucher.

Un système de communication sans fil MIMO-CDMA combine l'utilisation de plusieurs antennes (au niveau de la station de base et/ou des usagers), avec la technique d'accès multiple à répartition par codes. Afin de tirer profit des avantages de cette combinaison, la conception d'un algorithme efficace qui permet l'allocation des ressources devient une tache indispensable. Ce travail propose deux algorithmes d'ordonnancement permettant d'allouer les ressources réseau aux différents usagers dans les systèmes MIMO-CDMA. Vu que le problème d'ordonnancement est dans ce cas NP-difficile, nous avons adopté une approche basée sur la théorie des graphes. Ainsi, nous avons obtenu le bon compromis entre performances et complexité algorithmique. Les simulations présentées démontrent l'efficacité des algorithmes proposés. Ces derniers donnent des résultats très proches de l'optimal tout en réduisant largement la complexité de l'algorithme exacte. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Algorithmes d'ordonnancement, Théorie des graphes, Systèmes de communication sans fil MIMO-CDMA, Simulation des réseaux.

Nous évaluons les performances de systèmes optiques à accès multiple par répartition de codes (OCDMA). Nous concentrons notre étude sur les types de OCDMA qui utilisent des sources optiques à émission continue. Pour un système OCDMA à encodage spectral-temporel, nous présentons une comparaison expérimentale entre les performances d'une source incohérente et d'un laser multi longueurs d'onde lorsque cette source est partagée entre les usagers. Nous démontrons que les performances sont ultimement limitées par le bruit d'intensité des sources incohérentes et par le bruit de battement des sources lasers. Nous démontrons une correspondance entre la simulation et les résultats expérimentaux pour des systèmes d'encodage spectral d'amplitude et d'encodage spectral-temporel. Pour ce faire, la source utilisée est une source incohérente large bande et la correspondance entre les taux d'erreurs binaires mesurés et simulés est démontrée jusqu'à quatre usagers simultanés pour chacun des deux systèmes. À la suite de cette validation du simulateur, les performances pour différents types de codes et pour un système avec paramètres optimisés sont prédites. Les sources incohérentes étant limitées par un bruit d'intensité intrinsèque, d'autres options sont envisagées afin d'améliorer les performances. En particulier, trois configurations de sources lasers multi longueurs d'onde sont envisagées. Les performances peuvent alors être significativement meilleures qu'avec des sources incohérentes, mais demandent un positionnement précis des fréquences centrales des lasers. L'utilisation d'un code correcteur d'erreurs est également étudié afin d'améliorer les performances.

Depuis une dizaine d 'années, l'avènement des techniques multi-antennes (ou MIMO) pour les communications sans fil , mobiles ou fixes , a révolutionné les possibilités offertes pour de nombreux domaines d 'application des télécommunications. La disposition de plusieurs antennes de part et d 'autre du lien augmente considérablement la capacité des systèmes sans fil. Cependant, les algorithmes numériques à mettre en oeuvre pour réaliser ces systèmes sont autrement complexes et constituent un challenge quant à la définition d'architectures matérielles performantes. L'objectif du travail présent repose précisément sur la définition optimale de solutions architecturales, dans un contexte CDMA, pour contrer cette problématique. Le premier aspect de ce travail porte sur une étude approfondie des algorithmes spatio-temporels et des méthodes de conception en vue d'une implantation matérielle efficace. De nombreux schémas de détection sont proposés dans la littérature et sont applicables suivant trois critères qui sont: la qualité de service, le débit binaire et la complexité algorithmique. Cette dernière constitue une contrainte forte pour une mise en application à faible coût de terminaux mobiles intégrant ces applications. Aussi, il est nécessaire de disposer d'outils performants pour simuler, évaluer et affiner (prototypage rapide) ces nouveaux systèmes, candidats probables pour les télécommunications de quatrième génération. Le second aspect concerne la réalisation d'un transcepteur multi-antennes sans codage de canal, intégrant la technologie d'accès multiple par répartition de codes dans le cas d'un canal large bande. Un système mono-antenne WCDMA, généralisable à un nombre quelconque d'antennes, a été intégré et simulé au sein de la plate-forme de prototypage rapide Lyrtech. L'architecture développée intègre les principaux modules du traitement en bande de base, à savoir le filtrage de Nyquist, la détection des multiples trajets suivie de l'étape de détection. Le prototype MIMO-WCDMA développé est caractérisé par sa flexibilité suivant le nombre de voies e~trantes, le format d'entrée des échantillons, les caractéristiques du canal sans fil et la technologie ciblée (ASIC, FPGA). Le troisième aspect se veut plus prospectif en détaillant de nouveaux mécanismes pour réduire le coût matériel des systèmes multi-antennes. Le principe d'allocation adaptative de la virgule fixe est présenté dans le but d'adapter le codage des données suivant les caractéristiques du canal sans fil et de minimiser en conséquence la complexité du circuit. D'autre part, le concept d'architectures adaptatives est proposé afin de minimiser l'énergie consommée au sein d 'un système embarqué suivant le contexte d'application.

Dans cette thèse, la performance du système CDMA à chevauchement optique (OVCDMA) au niveau de la couche de contrôle d'accès au support (MAC) et l'allocation des ressources au niveau de la couche physique (PRY) sont étudiées. Notre but est d'apporter des améliorations pour des applications à débits multiples en répondant aux exigences de délai minimum tout en garantissant la qualité de service (QoS). Nous proposons de combiner les couches PRY et MAC par une nouvelle approche d'optimisation de performance qui consolide l'efficacité potentielle des réseaux optiques. Pour atteindre notre objectif, nous réalisons plusieurs étapes d'analyse. Tout d 'abord, nous suggérons le protocole S-ALOHA/OV-CDMA optique pour sa simplicité de contrôler les transmissions optiques au niveau de la couche liaison. Le débit du réseau, la latence de transmission et la stabilité du protocole sont ensuite évalués. L'évaluation prend en considération les caractéristiques physiques du système OY-CDMA, représentées par la probabilité de paquets bien reçus. Le système classique à traitement variable du gain (YPG) du CDMA, ciblé pour les applications à débits multiples, et le protocole MAC ±round-robin¿ récepteur/émetteur (R31), initialement proposé pour les réseaux par paquets en CDMA optique sont également pris en compte. L'objectif est d ' évaluer comparativement la performance du S-ALOHA/OY-CDMA en termes de l'immunité contre l'interférence d'accès lTIultiple (MAI) et les variations des charges du trafic. Les résultats montrent que les performances peuvent varier en ce qui concerne le choix du taux de transmission et la puissance de transmission optique au niveau de la couche PRY. Ainsi, nous proposons un schéma de répartition optimale des ressources pour allouer des taux de transmission à chevauchement optique et de puissance optique de transmission dans le système OY-CDMA comme des ressources devant être optimalement et équitablement réparties entre les utilisateurs qui sont regroupés dans des classes de différentes qualités de service. La condition d'optimalité est basée sur la maximisation de la capacité par utilisateur de la couche PHY. De ce fait, un choix optimal des ressources physiques est maintenant possible, mais il n'est pas équitable entre les classes. Par conséquent, pour améliorer la performance de la couche liaison tout en éliminant le problème d'absence d'équité, nous proposons comme une approche unifiée un schéma équitable et optimal pour l'allocation des ressources fondé sur la qualité de service pour des multiplexages temporels des réseaux par paquets en CDMA à chevauchement optique. Enfin, nous combinons cette dernière approche avec le protocole MAC dans un problème d'optimisation d'allocation équitable des ressources à contrainte de délai afin de mieux améliorer le débit du réseau et le délai au niveau de la couche liaison avec allocation équitable et optimale des ressources au niveau de la couche PHY.

La limitation fondamentale des systèmes optiques utilisant des sources incohérentes est le bruit d'intensité. Notre objectif est de trouver des solutions pour limiter l'effet de ce bruit dans le cas particulier des systèmes utilisant la technique d'accès multiple par répartition de codes dans le domaine spectral (SAC-OCDMA). Dans ce travail, nous considérons des réseaux de Bragg pour effectuer les opérations d'encodage et de décodage. Puisqu'il est expérimentalement impossible d'obtenir des composants avec des réponses spectrales carrées idéales, nous étudions l'influence de la forme et de la largeur de la réponse spectrale des composants effectuant l'encodage et le décodage sur les performances en termes de taux d'erreur. Il est ainsi démontré que les performances optimales sont obtenues lorsqu'un recouvrement spectral des cases fréquentielles adjacentes est présent. Dans ce contexte, nous analysons l'effet du choix d'une permutation de code sur l'uniformité des performances en terme de taux d'erreur parmi les différents usagers. Nous utilisons ce résultat pour réaliser des réseaux de Bragg incluant une variation linéaire de la période du réseau que nous utiliserons en transmission afin de construire un système fonctionnant sur le principe du SAC-OCDMA. Nous obtenons des performances largement supérieures pour ce type de système comparativement à celles vues dans la littérature. Nous proposons également une nouvelle structure simplifiée du récepteur balancé classique. En plus de réduire le nombre de composants nécessaires à la réception, cette structure nous a permis de démontrer l'utilisation efficace d'amplificateurs à semiconducteurs pour réduire le bruit d'intensité. Il est également démontré expérimentalement que cette amélioration est surtout présente lorsque le nombre d'utilisateurs est faible. Nous expliquerons cette diminution rapide de l'amélioration par le fait qu'un filtrage optique subsiste pour tous les interférents sur un des bras de la détection balancée, ce qui annule le bénéfice de l'utilisation d'amplificateurs à semiconducteurs

Ces dernières années, la technologie des courants porteurs en ligne (CPL) a fait son apparition dans les réseaux domestiques afin de répondre au besoin grandissant de bande passante. Comme pour les solutions sans-fil, cette technologie présente l’avantage de ne pas nécessiter le déploiement de nouveaux câbles à l’intérieur de la maison, en utilisant directement le réseau électrique comme milieu de transmission. Offrant une zone de couverture plus importante que les réseaux Wi-Fi, les débits offerts par les équipements actuels ne sont néanmoins pas suffisants pour supporter simultanément des applications gourmandes en bande passante. Cette thèse vise donc à explorer différentes solutions pour les futurs réseaux domestiques basés sur cette technologie. L’étude a d’abord été menée au niveau de la couche Physique des systèmes, où deux solutions de transmission ont été comparées. D’un côté, la modulation windowed OFDM, déployée dans la grande majorité des réseaux actuels, est étudiée afin de mettre en avant ses limites dans le contexte particulier des réseaux sur courant porteur. Dans cette partie, nous montrons concrètement le gain en capacité que pourrait apporter une modulation alternative, l’OFDM/OQAM, présentant des degrés de liberté supplémentaires vis-à-vis de l’OFDM classique, et dont l’exploitation s’avère particulièrement intéressante pour cette étude. Dans un second temps, la problématique de la couche MAC a été abordée dans le contexte d’une utilisation multi-usager du réseau. L’objectif de cette seconde partie a été de proposer des solutions nouvelles pour l’allocation et le partage de la ressource entre les différents utilisateurs du réseau. Premièrement, nous étudions la possibilité de définir un nouveau mode d’accès, basé sur l’OFDMA, permettant de tirer efficacement parti de la diversité entre différents canaux de transmission, afin d’augmenter significativement les débits pour les transmissions point-à- multipoint. Enfin, le dernier chapitre aborde le problème de la transmission multicast inhérent aux réseaux PLC actuels, en proposant une méthode d’agrégation des utilisateurs résultant en une augmentation significative des débits. / During the past few years, Power Line Communications (PLC) have become a popular connectivity solution to answer the growing need of home networks for bandwidth. As wireless technologies, this solution spares the user from cabling its Local Area Network (LAN), by directly using the home power grid as a transmission medium. While PLC generally offer a larger coverage than Wireless Local Area Networks (WLAN), the capacity offered by current systems is not sufficient to simultaneously support bandwidth intensive streams. In this thesis, we aim at exploring various solutions for future PLC networks. Firstly, we aim at improving the spectral efficiency of the current systems’ Physical (PHY) layer, where two modulation schemes are compared. On the one hand, we study the modulation deployed in current PLC networks, called windowed Orthogonal requency Division Multiplexing (OFDM), and we highlight the main limitation of this solution in the particular context of PLC. On the other hand, we show that and alternative solution, called OFDM/Offset Quadrature Amplitude Modulation (OQAM), offers some degrees of freedom which could highly benefit to PLC networks. Secondly, the study is oriented toward the Media Access Control (MAC) layer of PLC systems, considering a multiuser utilization of the network. In this second part, we aim at proposing allocation solutions that will allow a more efficient utilization of the limited and shared transmission resource. We firstly study the opportunity of defining an Orthogonal Frequency-Division Multiple Access (OFDMA) transmission scheme for point-to-multipoint transmissions, in order to increase data rates by taking advantage of the diversity between users’ channels. Finally, the last Chapter is dedicated to the study of broadcast and multicast communications in PLC networks, where we show that a smart aggregation of the set of users to reach could greatly improve efficiency of multicast transmissions.

Une communication est impulsive chaque fois que le signal portant des informations est intermittent dans le temps et que la transmission se produit à rafales. Des exemples du concept impulsife sont : les signaux radio impulsifs, c’est-à-dire des signaux très courts dans le temps; les signaux optiques utilisé dans les systèmes de télécommunications; certains signaux acoustiques et, en particulier, les impulsions produites par le système glottale; les signaux électriques modulés en position d’impulsions; une séquence d’événements dans une file d’attente; les trains de potentiels neuronaux dans le système neuronal. Ce paradigme de transmission est différent des communications continues traditionnelles et la compréhension des communications impulsives est donc essentielle. Afin d’affronter le problème des communications impulsives, le cadre de la recherche doit inclure les aspects suivants : la statistique d’interférence qui suit directement la structure des signaux impulsifs; l’interaction du signal impulsif avec le milieu physique; la possibilité pour les communications impulsives de coder l’information dans la structure temporelle. Cette thèse adresse une partie des questions précédentes et trace des lignes indicatives pour de futures recherches. En particulier, nous avons étudié: un système d'accès multiple où les utilisateurs adoptent des signaux avec étalement de spectre par saut temporel (time-hopping spread spectrum) pour communiquer vers un récepteur commun; un système avec un préfiltre à l'émetteur, et plus précisément un transmit matched filter, également connu comme time reversal dans la littérature de systèmes à bande ultra large; un modèle d'interférence pour des signaux impulsifs. / A communication is impulsive whenever the information-bearing signal is burst-like in time. Examples of the impulsive concept are: impulse-radio signals, that is, wireless signals occurring within short intervals of time; optical signals conveyed by photons; speech signals represented by sound pressure variations; pulse-position modulated electrical signals; a sequence of arrival/departure events in a queue; neural spike trains in the brain. Understanding impulsive communications requires to identify what is peculiar to this transmission paradigm, that is, different from traditional continuous communications.In order to address the problem of understanding impulsive vs. non-impulsive communications, the framework of investigation must include the following aspects: the different interference statistics directly following from the impulsive signal structure; the different interaction of the impulsive signal with the physical medium; the actual possibility for impulsive communications of coding information into the time structure, relaxing the implicit assumption made in continuous transmissions that time is a mere support. This thesis partially addresses a few of the above issues, and draws future lines of investigation. In particular, we studied: multiple access channels where each user adopts time-hopping spread-spectrum; systems using a specific prefilter at the transmitter side, namely the transmit matched filter (also known as time reversal), particularly suited for ultrawide bandwidhts; the distribution function of interference for impulsive systems in several different settings.

Une communication est impulsive chaque fois que le signal portant des informations est intermittent dans le temps et que la transmission se produit à rafales. Des exemples du concept impulsife sont : les signaux radio impulsifs, c’est-à-dire des signaux très courts dans le temps; les signaux optiques utilisé dans les systèmes de télécommunications; certains signaux acoustiques et, en particulier, les impulsions produites par le système glottale; les signaux électriques modulés en position d’impulsions; une séquence d’événements dans une file d’attente; les trains de potentiels neuronaux dans le système neuronal. Ce paradigme de transmission est différent des communications continues traditionnelles et la compréhension des communications impulsives est donc essentielle. Afin d’affronter le problème des communications impulsives, le cadre de la recherche doit inclure les aspects suivants : la statistique d’interférence qui suit directement la structure des signaux impulsifs; l’interaction du signal impulsif avec le milieu physique; la possibilité pour les communications impulsives de coder l’information dans la structure temporelle. Cette thèse adresse une partie des questions précédentes et trace des lignes indicatives pour de futures recherches. En particulier, nous avons étudié: un système d'accès multiple où les utilisateurs adoptent des signaux avec étalement de spectre par saut temporel (time-hopping spread spectrum) pour communiquer vers un récepteur commun; un système avec un préfiltre à l'émetteur, et plus précisément un transmit matched filter, également connu comme time reversal dans la littérature de systèmes à bande ultra large; un modèle d'interférence pour des signaux impulsifs. / A communication is impulsive whenever the information-bearing signal is burst-like in time. Examples of the impulsive concept are: impulse-radio signals, that is, wireless signals occurring within short intervals of time; optical signals conveyed by photons; speech signals represented by sound pressure variations; pulse-position modulated electrical signals; a sequence of arrival/departure events in a queue; neural spike trains in the brain. Understanding impulsive communications requires to identify what is peculiar to this transmission paradigm, that is, different from traditional continuous communications.In order to address the problem of understanding impulsive vs. non-impulsive communications, the framework of investigation must include the following aspects: the different interference statistics directly following from the impulsive signal structure; the different interaction of the impulsive signal with the physical medium; the actual possibility for impulsive communications of coding information into the time structure, relaxing the implicit assumption made in continuous transmissions that time is a mere support. This thesis partially addresses a few of the above issues, and draws future lines of investigation. In particular, we studied: multiple access channels where each user adopts time-hopping spread-spectrum; systems using a specific prefilter at the transmitter side, namely the transmit matched filter (also known as time reversal), particularly suited for ultrawide bandwidhts; the distribution function of interference for impulsive systems in several different settings.