Les travaux de cette thèse concernent l'étude et la proposition de nouvelles solutions d'adaptation d'un système de transmission CPL haut débit aux caractéristiques du canal ligne électrique en accordant un intérêt particulier au bruit impulsif qui représente une contrainte sévère encore difficile à surmonter. Le premier objectif concerne la conduite d'une analyse statistique des mesures du bruit impulsif puis l'étude et la définition d'un modèle à la fois simple et fidèle qui servira à dimensionner et évaluer par simulation les techniques à proposer. Les campagnes de mesure réalisées dans les milieux indoor et automobile ont permis de dégager les caractéristiques du bruit dans les deux environnements et de les comparer pour déduire l'agressivité du bruit indoor et la difficulté de sa compensation. Dans la phase de modélisation du bruit, trois modèles ont d'abord été présentés et étudiés: la classe A du modèle de Middleton, l'approche basée sur les chaînes de Markov et l'approche stochastique. Ensuite, une approche hybride, permettant à la fois une simplicité et une efficacité à reproduire les caractéristiques temporelles, a été proposée. La comparaison des mesures aux différents modèles étudiés ainsi qu'à celui proposé a montré l'efficacité de l'approche hybride qui sera adoptée dans la suite de ce travail. Le deuxième objectif concerne la proposition d'une nouvelle méthode de compensation de l'effet du bruit impulsif qui soit à la fois performante mais à faible complexité d'implantation matérielle. D'abord, la solution d'ajout de modules d'annulation de bruit au niveau du récepteur a été étudiée en proposant des techniques d'annulation de bruit basées sur l'estimation de sa puissance, ensuite différentes structures de codage canal ont été développés, et leurs performances ont été vérifiées et comparées en présence de plusieurs types de scénarios de bruit impulsif. / This thesis deals with the study and the suggestion of new solutions to improve high bit rate power line communications. A special interest is given to impulsive noise presence which is the most difficult transmission constraint to overcome. The first aim of this work is to analyze statistically measure results then to propose a simple and efficient noise model that will be used in a simulation tool to define accurately suitable noise cancellation techniques. Experimental measurements done in both Indoor and vehicle PLC channels allowed to deduce noise characteristics in the two environments, to compare these characteristics and to prove high effect of Indoor impulsive noise. ln next step, three models were studied: c1ass A of Middleton mode 1, Markov chains-based model and the stochastic approach. Then, a new hybrid model, that combines the stochastic approach and Markov chains, was proposed. This model is simple, easy to implement and allows a satisfying fitting to noise temporal characteristics. Comparisons of models to measured noise show the efficiency of the hybrid approach that will be used afterward. The second aim of this work is to defme new appropriate and cost-effective methods to compensate impulsive noise effect. The frrst solution is to add a noise canceller module in the PLC system receiver. This solution was studied by proposing techniques to cancel noise by estimating its power. The second solution is to use error correction methods. ln this case, three channel coding structures were developed and their performances were studied in the presence of different impulsive noise scenarios.

Cette thèse se concentre sur l’étude du bruit et des interférences présentant un comportement impulsif, un attribut que l’on peut retrouver dans de nombreux contextes comme les communications sans fil. Cette interférence est caractérisée par la présence d’amplitudes élevées pendant des durées courtes. En fait, ces caractéristiques indésirables conduisent à des queues de distributions plus lourdes qui peuvent être modélisées par la distribution α-stable. En particulier, nous étudions le comportement impulsif qui se produit dans les réseaux de communication à grande échelle qui forme la base de notre modèle d’interférence dynamique. Plus précisément, une telle interférence peut se rencontrer dans des réseaux hétérogènes avec des paquets courts à transmettre, comme dans l’Internet des objets, lorsque l’ensemble des interférents actifs varie rapidement. La première partie de ce travail est d’étudier la capacité des canaux de bruit α-stable, qui n’est pas bien comprise actuellement, sauf dans le cas du bruit de Cauchy (α = 1) avec une contrainte logarithmique et du bruit gaussien (α = 2) avec une contrainte de puissance. Nous calculons des bornes inférieures et supérieures pour la capacité avec une contrainte de moment de la valeur absolue (amplitude). Nous considérons les canaux à bruit symétrique additif α-stable avec α ∈ ]1, 2]. Nous utilisons ensuite un algorithme inspiré du Blahut-Arimoto afin de comparer les bornes proposées, ce qui permet en particulier d’évaluer l’effet des paramètres de bruit sur les bornes. Nous étendons ensuite le travail à la capacité de canaux à bruit additif complexe, isotrope α-stable et l’impact de nos limites dans des contextes pratiques. / This thesis focuses on the study of noise and interference exhibiting an impulsive behavior, an attribute that can be found in many contexts such as wireless communications. This interference is characterized by the presence of high amplitudes during short durations. In fact, these undesirable features lead to heavier tails in the distributions and can be modeled by the α-stable distribution. In particular, we study the impulsive behavior that occurs in large-scale communication networks that forms the basis for our model of dynamic interference. More precisely, such interference can be encountered in heterogeneous networks with short packets to be transmitted, as in the Internet of Things, when the set of active interferers varies rapidly. The first part of this work is to study the capacity of α-stable additive noise channels, which is not well understood at present, except in the case of Cauchy noise (α = 1) with a logarithmic constraint and Gaussian noise (α = 2) with a power constraint. We derive lower and upper bounds for the capacity with an absolute moment (amplitude) constraint. We consider additive symmetric α-stable noise channels with α ∈ ]1, 2]. We then use an algorithm inspired by the Blahut-Arimoto algorithm in order to compare our bounds with a numerical approximation, which provides insight into the effect of noise parameters on the bounds. In particular, we find that our lower bound is in good agreement with the numerical approximation for α close to 2. We then extend the work to the capacity of the additive complex isotropic α-stable noise channel and we also analyze the impact of our bounds in practical contexts.

L’objectif de cette thèse est d’étudier le comportement des codes LDPC dans un environnement où l’interférence générée par un réseau n’est pas de nature gaussienne mais présente un caractère impulsif. Un premier constat rapide montre que sans précaution, les performances de ces codes se dégradent très significativement. Nous étudions tout d’abord les différentes solutions possibles pour modéliser les bruits impulsifs. Dans le cas des interférences d’accès multiples qui apparaissent dans les réseaux ad hoc et les réseaux de capteurs, il nous semble approprié de choisir les distributions alpha-stables. Généralisation de la gaussienne, stables par convolution, elles peuvent être validées théoriquement dans plusieurs situations.Nous déterminons alors la capacité de l’environnement α-stable et montrons par une approche asymptotique que les codes LDPC dans cet environnement sont bons mais qu’une simple opération linéaire à l’entrée du décodeur ne permet pas d’obtenir de bonnes performances. Nous avons donc proposé différentes façons de calculer la vraisemblance en entrée du décodeur. L’approche optimale est très complexe à mettre en oeuvre. Nous avons étudié plusieurs approches différentes et en particulier le clipping dont nous avons cherché les paramètres optimaux. / The goal of this PhD is to study the performance of LDPC codes in an environment where interference, generated by the network, has not a Gaussian nature but presents an impulsive behavior.A rapid study shows that, if we do not take care, the codes’ performance significantly degrades.In a first step, we study different approaches for impulsive noise modeling. In the case of multiple access interference that disturb communications in ad hoc or sensor networks, the choice of alpha-stable distributions is appropriate. They generalize Gaussian distributions, are stable by convolution and can be theoretically justified in several contexts.We then determine the capacity if the α-stable environment and show using an asymptotic method that LDPC codes in such an environment are efficient but that a simple linear operation on the received samples at the decoder input does not allow to obtain the expected good performance. Consequently we propose several methods to obtain the likelihood ratio necessary at the decoder input. The optimal solution is highly complex to implement. We have studied several other approaches and especially the clipping for which we proposed several approaches to determine the optimal parameters.

Avec le développement des techniques d'accès telles que le xDSL ou le FTTH, la plupart des opérateurs de télécommunications proposent de nouveaux services à très haut débit, tels que l'Internet, la téléphonie ou la télévision sur IP. En prolongement du réseau d'accès, l'utilisation de systèmes à courants porteurs domestiques permet d'accéder à l'ensemble de ces services au niveau de chaque prise de l'habitation. Cependant, le réseau électrique n'est pas adapté pour la transmission d'un signal numérique et les autres dispositifs électriques connectés risquent de perturber la communication. Ce travail de thèse consiste à analyser le fonctionnement des systèmes à courants porteurs face à ces perturbations et propose plusieurs solutions d'optimisation complémentaires. D'une part, nous nous sommes intéressés à la détection et la mitigation des perturbations impulsives, en exposant des techniques qui ont permis d'améliorer les performances et la qualité de service des systèmes. D'autre part, nous développons des algorithmes de diminution du bruit introduit par le convertisseur analogique/numérique, ce qui permet de résoudre de fortes contraintes d'implémentation. Enfin, l'étude s'attache à définir une meilleure gestion du spectre de puissance, afin d'augmenter les débits et la qualité de service tout en respectant les contraintes de la réglementation.

Au cours de ces dernières années, le réseau électrique est devenu un candidat incontournable pour la transmission de données à haut débit à l’intérieur des bâtiments. De nombreuses solutions sont actuellement à l’étude afin d’optimiser ces technologies connues sous le nom Courants Porteurs en Ligne (CPL) ou PLC (Power-Line Communications). La technique MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) a été tout récemment transposée au réseau filaire électrique pour lequel différents modes d’alimentation peuvent être envisagés entre la phase, le neutre et la terre. Dans le cadre de cette thèse, nous proposons deux contributions originales à l’étude des communications numériques sur le réseau électrique à l’intérieur des bâtiments. La première contribution concerne la modélisation du canal MIMO-PLC. En repartant d’un modèle du canal paramétrique SISO (Single-Input Single-Output) connu dans la littérature, nous proposons un modèle du canal MIMO en considérant un nouveau paramètre caractérisant la corrélation spatiale. Le modèle proposé permet de représenter fidèlement la corrélation spatiale des mesures effectuées à l’échelle européenne. La deuxième contribution concerne le bruit impulsif présent sur le réseau électrique domestique qui constitue un problème majeur dans les systèmes de communications. Nous proposons une méthode basée sur la notion de capacité de coupure afin d’optimiser le débit moyen dans les systèmes OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) soumis aux bruits impulsifs. D’abord, nous étudions la capacité du système en fonction d’une marge de bruit fournie aux symboles transmis. Ensuite, nous déterminons l’expression analytique de la probabilité de coupure (outage) d’un symbole OFDM en fonction de cette marge, en étudiant de manière détaillée l’interaction entre l’impulsion de bruit et le symbole. A partir de ces deux calculs, nous déduisons la capacité de coupure. Puis, nous proposons une approche qui maximise l’espérance mathématique du débit reçu. Finalement, nous présentons les résultats obtenus dans le cas particulier d’une transmission à haut débit sur PLC en présence de bruits impulsifs. / In recent years, the electrical network has become an essential candidate for high-speed data transmission inside buildings. Many solutions are currently underway in order to optimize these technologies known under the name of in-home Power-Line Communications (PLC). Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) technique has recently been transposed into power-line networks for which different signal feeding possibilities can be considered between phase, neutral and earth wires. In this thesis, we propose two original contributions to indoor broadband PLC. The first contribution concerns the MIMO-PLC channel modeling. Based on a Single-Input Single-Output (SISO) parametric channel model presented in the literature, we propose a MIMO one by considering a new parameter which characterizes the spatial correlation. The proposed model enables an accurate description of the spatial correlation of European MIMO PLC field measurements. The second contribution is related to the impulsive noise present in power-line networks which constitutes a major problem in communications systems. We propose an outage capacity approach in order to optimize the average data rate in Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) systems affected by impulsive noise. First, we study the channel capacity as a function of a noise margin provided to the transmitted symbols. Then we determine the analytical expression of the outage probability of an OFDM symbol in terms of the noise margin, by studying in detail the interaction between the noise impulse and the symbol. Based on the two aforementioned relations, we deduce the outage capacity. Then we propose an approach that enables to maximize the average system data rate. Finally, we present the results in the particular case of indoor broadband PLC in the presence of impulsive noise.

Dans un nombre croissant d'applications, les perturbations rencontrées s'éloignent fortement des modèles classiques qui les modélisent par une gaussienne ou un mélange de gaussiennes. C'est en particulier le cas des bruits impulsifs que nous rencontrons dans plusieurs domaines, notamment celui des télécommunications. Dans ce cas, une modélisation mieux adaptée peut reposer sur les distributions alpha-stables. C'est dans ce cadre que s'inscrit le travail de cette thèse dont l'objectif est de concevoir de nouvelles méthodes robustes pour l'estimation conjointe état-bruit dans des environnements impulsifs. L'inférence est réalisée dans un cadre bayésien en utilisant les méthodes de Monte Carlo séquentielles. Dans un premier temps, cette problématique a été abordée dans le contexte des systèmes de transmission OFDM en supposant que les distorsions du canal sont modélisées par des distributions alpha-stables symétriques. Un algorithme de Monte Carlo séquentiel a été proposé pour l'estimation conjointe des symboles OFDM émis et des paramètres du bruit $\alpha$-stable. Ensuite, cette problématique a été abordée dans un cadre applicatif plus large, celui des systèmes non linéaires. Une approche bayésienne non paramétrique fondée sur la modélisation du bruit alpha-stable par des mélanges de processus de Dirichlet a été proposée. Des filtres particulaires basés sur des densités d'importance efficaces sont développés pour l'estimation conjointe du signal et des densités de probabilité des bruits

Cette thèse s'inscrit dans le domaine du Smart Grid. Les SGs améliorent la sécurité des réseaux électriques et permettent une utilisation adaptée de l'énergie disponible de manière limitée. Ils augmentent également l'efficacité énergétique globale en réduisant la consommation. L'utilisation de cette technologie est la solution la plus appropriée car elle permet une gestion plus efficace de l'énergie. Dans ce contexte, des compagnies comme Hydro-Québec déploient des réseaux de capteurs pour contrôler les principaux équipements. Pour réduire les coûts de déploiement et la complexité du câblage, un réseau de capteurs semble être une solution optimale. Cependant, son déploiement nécessite une connaissance approfondie de l'environnement. Les postes à haute tension sont des points stratégiques du réseau électrique et génèrent un bruit impulsif qui dégrade les performances des communications sans fil. Les travaux dans cette thèse sont centrés sur le développement de protocoles de communication performants dans ces milieux fortement perturbés. Nous avons proposé une première approche basée sur la concaténation du code à métrique de rang et le code convolutif avec la modulation OFDM. C'est une technique très efficace pour réduire l'effet du bruit impulsif tout en ayant un niveau de complexité assez faible. Une autre solution basée sur un système multi-antennaire est développée. Nous avons aussi proposé un système MIMO coopératif codé en boucle fermée basée sur le code à métrique de rang et le précodeur max-dmin. La deuxième technique est également une solution optimale pour améliorer la fiabilité du système et réduire la consommation énergétique dans les réseaux de capteurs. / This thesis is mainly in the Smart Grid domain. SGs improve the safety of electrical networks and allow a more adapted use of electricity storage, available in a limited way. SGs also increase overall energy efficiency by reducing peak consumption. The use of this technology is the most appropriate solution because it allows more efficient energy management. In this context, manufacturers such as Hydro-Quebec deploy sensor networks in the nerve centers to control major equipment. To reduce deployment costs and cabling complexity, the option of a wireless sensor network seems the most obvious solution. However, deploying a sensor network requires in-depth knowledge of the environment. High voltages substations are strategic points in the power grid and generate impulse noise that can degrade the performance of wireless communications. The works in this thesis are focused on the development of high performance communication protocols for the profoundly disturbed environments. For this purpose, we have proposed an approach based on the concatenation of rank metric and convolutional coding with orthogonal frequency division multiplexing. This technique is very efficient in reducing the bursty nature of impulsive noise while having a quite low level of complexity. Another solution based on a multi-antenna system is also designed. We have proposed a cooperative closed-loop coded MIMO system based on rank metric code and max-dmin precoder. The second technique is also an optimal solution for both improving the reliability of the system and energy saving in wireless sensor networks.

Le travail présenté dans cette thèse a pour objectif de proposer et d'évaluer les performances de différentes techniques de suppression de bruit impulsif de type asynchrone adaptées aux transmissions sur courants porteurs en lignes (CPL) indoor. En effet, outre les caractéristiques physiques spécifiques à ce type de canal de transmission, le bruit impulsif asynchrone reste la contrainte sévère qui pénalise les systèmes CPL en terme de QoS. Pour remédier aux dégradations dues aux bruits impulsifs asynchrones, les techniques dites de retransmission sont souvent très utilisées. Bien qu'elles soient efficaces, ces techniques de retransmission conduisent à une réduction de débit et à l'introduction de délais de traitement supplémentaires pouvant être critiques pour des applications temps réel. Par ailleurs, plusieurs solutions alternatives sont proposées dans la littérature pour minimiser l'impact du bruit impulsif sur les transmissions CPL. Cependant, le nombre de techniques, qui permettent d'obtenir un bon compromis entre capacité de correction et complexité d'implantation reste faible pour les systèmes CPL. Dans ce contexte, nous proposons dans un premier temps d'utiliser un filtre linéaire adaptatif : le filtre de Widrow, nommé aussi ADALINE (ADAptive LInear NEuron), que nous utilisons comme méthode de débruitage pour les systèmes CPL. Pour améliorer les performances du débruitage effectué à l'aide d'ADALINE, nous proposons d'utiliser un réseau de neurones (RN) non linéaire comme méthode de débruitage. Le réseau de neurones est un bon outil qui est une généralisation de la structure du filtre ADALINE. Dans un deuxième temps, pour améliorer les performances du débruitage par un réseau de neurones, nous proposons un procédé d'annulation du bruit impulsif constitué de deux algorithmes : EMD (Empirical Mode Decomposition) associé à un réseau de neurones de type perceptron multicouches. L'EMD effectue le prétraitement en décomposant le signal bruité en signaux moins complexes et donc plus facilement analysables. Après quoi le réseau de neurones effectue le débruitage. Enfin, nous proposons une méthode d'estimation du bruit impulsif utilisant la méthode GPOF (Generalized Pencil Of Function). L'efficacité des deux méthodes, EMD-RN et la technique utilisant l'algorithme GPOF, est évaluée en utilisant une chaîne de simulation de transmission numérique compatible avec le standard HPAV.

Cette thèse a pour cadre les transmissions sur les réseaux CPL-BE et les réseaux de capteurs à faible capacité. L'état de l'art classique sur la protection de l'information dans la transmission par réseaux de capteurs fait référence à l'utilisation de codage distribué où les relais implémentent des opérations de parité (mélange des flux) sur les data issues des capteurs. Cependant, il est difficile, de par la nature variable de la qualité des liens en liaisons sans fil, de contrôler la qualité du codeur équivalent construit et de maintenir ses performances au cours du temps. C'est pourquoi nous nous sommes orientés dans cette thèse vers la recherche de schémas de codage différents qui résistent mieux à la variation de qualité des liaisons à travers le réseau. Notre choix s'est porté sur le codage par sous-espace inspiré des travaux de Gabidulin. Le but est de former un code qui utilise une métrique simple et résistante pour sécuriser les transmissions sur le réseau. Les codes à métrique de rang répondent bien à ce besoin car il n'y a qu'à contrôler le rang de la matrice obtenue en réception pour vérifier l'intégrité de la transmission. Les codes à métrique de rang et leur algorithme de décodage ont été étudiés dans un premier temps. Puis, les performances du code LRPC proposé concaténé avec les codes convolutifs sont testées dans des schémas de transmission des contextes différents. / This thesis considers the context of transmissions on CPL-BE networks and low-capacity sensor networks. The state of the art on information protection intransmission by sensor networks refers to the use of distributed coding, where therelays implement parity operations (mixing of streams) on data transmitted by thesensors. However, due to the varying nature of the quality of the wireless links, it is difficult to control the quality of the equivalent encoder constructed and to maintain its performance over time. Therefore, in this thesis, we have focused on the search for different coding schemes that are better resist the variation in the quality of the links across the network. Our choice was based on the sub-space coding inspired by Gabidulin's work. The goal is to form a code that uses a simple and resistant metric to secure transmission across the network. Rank metric codes respond well to this need because it only has to control the rank of the matrix obtained in reception to verify the integrity of the transmission. The rank metric codes and their decoding algorithm were studied in a first step. Then, the performance of the proposed LRPC code concatenated with the convolutional codes is tested in transmission schemes of different contexts.

Dans un nombre croissant d'applications, les perturbations rencontrées s'éloignent fortement des modèles classiques qui les modélisent par une gaussienne ou un mélange de gaussiennes. C'est en particulier le cas des bruits impulsifs que nous rencontrons dans plusieurs domaines, notamment celui des télécommunications. Dans ce cas, une modélisation mieux adaptée peut reposer sur les distributions alpha-stables. C'est dans ce cadre que s'inscrit le travail de cette thèse dont l'objectif est de concevoir de nouvelles méthodes robustes pour l'estimation conjointe état-bruit dans des environnements impulsifs. L'inférence est réalisée dans un cadre bayésien en utilisant les méthodes de Monte Carlo séquentielles. Dans un premier temps, cette problématique a été abordée dans le contexte des systèmes de transmission OFDM en supposant que les distorsions du canal sont modélisées par des distributions alpha-stables symétriques. Un algorithme de Monte Carlo séquentiel a été proposé pour l'estimation conjointe des symboles OFDM émis et des paramètres du bruit $\alpha$-stable. Ensuite, cette problématique a été abordée dans un cadre applicatif plus large, celui des systèmes non linéaires. Une approche bayésienne non paramétrique fondée sur la modélisation du bruit alpha-stable par des mélanges de processus de Dirichlet a été proposée. Des filtres particulaires basés sur des densités d'importance efficaces sont développés pour l'estimation conjointe du signal et des densités de probabilité des bruits / In signal processing literature, noise's sources are often assumed to be Gaussian. However, in many fields the conventional Gaussian noise assumption is inadequate and can lead to the loss of resolution and/or accuracy. This is particularly the case of noise that exhibits impulsive nature. The latter is found in several areas, especially telecommunications. $\alpha$-stable distributions are suitable for modeling this type of noise. In this context, the main focus of this thesis is to propose novel methods for the joint estimation of the state and the noise in impulsive environments. Inference is performed within a Bayesian framework using sequential Monte Carlo methods. First, this issue has been addressed within an OFDM transmission link assuming a symmetric alpha-stable model for channel distortions. For this purpose, a particle filter is proposed to include the joint estimation of the transmitted OFDM symbols and the noise parameters. Then, this problem has been tackled in the more general context of nonlinear dynamic systems. A flexible Bayesian nonparametric model based on Dirichlet Process Mixtures is introduced to model the alpha-stable noise. Moreover, sequential Monte Carlo filters based on efficient importance densities are implemented to perform the joint estimation of the state and the unknown measurement noise density