Multiples travaux de recherche on été munis ces dernières années pour construire des codes espace-temps optimaux pour les communications sans fil de point a point (monoutilisateur). Plusieurs familles de codes, dont la construction utilise des outils algébriques avances et qui atteignent le dmt ont été proposées dans la littérature. Ce compromis a été développe par zheng et tse pour capturer les avantages duels d'un canal a évanouissement pour les snr élèves: l'augmentation du débit (augmentation du gain de multiplexage) et l'augmentation de la fiabilité (augmentation du gain de diversité). Motivés par les résultats promettant obtenus dans le cas des canaux mono-utilisateur, notre but dans cette thèse est de proposer des nouvelles constructions de codes espace temps pour les canaux à accès multiple (i.e., multi-utilisateur) en se basant sur une profonde compréhension de ce dernier du point de vue de la théorie de l'information. Nous considérons dans une première partie le cas mono antenne pour lequel nous proposons une nouvelle construction de code qui offre un gain significative et dont les performances sont conservées dans le cas synchrone et asynchrone. Motive par le gain de performance important obtenu dans le cas momo antenne et arme par la compréhension des aspects théoriques du canal a accès multiple, nous avons propose un nouveau code dont les performances sont meilleures comparées aux codes existants. Ce code est ensuite utilise pour construire un nouveau code distribue pour le canal à accès multiple avec relais.

Un environnement de communication multi-utilisateurs sans fils forme un système hautement structuré dans lequel compétition et coopération coexistent. L'objectif de cette thèse est d'illustrer le rôle et les applications de la théorie des jeux au problème d'allocation de ressources dans les réseaux auto-organisant sans fils et multi-utilisateurs. Divers outils issus de la théorie des jeux seront considérés. Cette thèse comporte quatre résultats principaux. Premièrement, les jeux non-coopératifs avec information complète sont introduits dans le cadre de l'étude du problème d'allocation de ressources dans un réseau sans fils formé de petites cellules. Il est démontré que ce modèle peut être vu comme un jeux de potentiel. Ainsi, l'existence et la convergence de l'équilibre peuvent être adressés. Deuxièmement, des jeux non-coopératifs avec information incomplète sont introduits pour étudier un problème d'allocation de ressources distribué dans le cadre de canaux à accès multiples. Cette formulation est important d'un point de vue pratique, puisque les instruments sans fils peuvent avoir une information locale et rarement globale sur le statut des canaux de communication. D'autre part, des jeux avec les contraintes couplé ainsi que divers conepts d'équité sont introduits pour étudier le problème d'allocation de débits de communication dans la région de capacité de canaux à accès multiples. Le concept d'équilibre normalisé est adopté pour considérer le problème de sélection d'équilibre. Finalement, des jeux de négociations de Nash sont introduits pour augmenter les performances des systèmes non coopératifs dans les réseaux sans fils à petites cellules.

Le système de positionnement Galileo est un nouveau système de navigation par satellite en cours de développement pour l'Union Européenne, qui devrait être opérationnel en 2013. Tout en fournissant un service de positionnement autonome, Galileo sera interopérable avec les systèmes de navigation par satellite déjà existants comme le système américain GPS (Global Positioning System). En effet, un utilisateur pourra, avec un récepteur compatible, obtenir une position quelque soit le système utilisé. De plus, Galileo a pour objectif de garantir la disponibilité de certains services tels que le service commercial (CS) par exemple ou le service public réglementé (PRS). Mais Galileo fournit aussi, avec le service Sécurité de la vie (SOL), un message d'intégrité permettant de déterminer si l'information satellite est fiable, afin de l'utiliser pour des applications critiques telles que le transport aérien, maritime ou terrestre. Afin de fournir une position, une synchronisation et une information d'intégrité précises, en accord avec les besoins des utilisateurs, le système Galileo doit posséder des signaux et une architecture performants. L'étude de la conception de ces signaux, leur génération et leurs performances constitue le coeur de cette thèse. En effet, l'objectif principal de ce travail est l'optimisation de la charge utile et des signaux Galileo afin d'obtenir les meilleures performances possibles du point de vue du récepteur. Une analyse complète du système Galileo, de la charge utile au récepteur est d'abord effectuée. Elle montre que des distorsions peuvent affecter les signaux pendant leur génération, leur propagation et leur traitement dans le récepteur. Ces distorsions, dues aux instabilités d'horloges, aux non-linéarités de l'amplificateur, aux filtrages ou aux trajets multiples (multitrajets), réduisent la performance des signaux, en particulier lors de la poursuite du code ou lors de la poursuite de la phase de la porteuse. Pour éviter ces distorsions ou pour réduire leur impact, les signaux Galileo doivent présenter certaines propriétés, comme une enveloppe constante ou une large bande par exemple. Il est donc important d'analyser ces contraintes pour la conception d'une charge utile et de signaux performants. Une étude est ensuite menée afin de déterminer si les signaux Galileo proposés par la GJU (Galileo Joint Undertaking), en particulier en bande E5 et E1(E1-L1-E2), présentent ces propriétés et ainsi vérifient les contraintes de conception. La modulation Interplex et la modulation ALTBOC (Alternate Binary Offset Carrier) sont les solutions proposées pour multiplexer, respectivement, les signaux E1 et E5. Les expressions théoriques et les performances de ces modulations sont analysées afin de montrer qu'elles transmettent les signaux avec une enveloppe constante permettant de réduire les distorsions dues aux non-linéarités de l'amplificateur. Récemment, de nouvelles formes d'onde ont été proposées pour transmettre le signal " Open Service " de Galileo en bande E1, toujours avec l'objectif d'obtenir de meilleures performances. Ces nouveaux signaux sont basés sur la combinaison linéaire d'un signal BOC(1,1) avec un signal " Binary Coded Symbol (BCS) " ou avec une autre sous porteuse BOC. Ces signaux sont alors appelés Composite BCS (CBCS) ou Composite BOC (CBOC). Ces nouveaux signaux, conçus afin de réduire l'impact des multitrajets sur les performances, sont étudiés tout au long de la chaîne de transmission afin de contrôler s'ils vérifient les contraintes de conception et s'ils peuvent être transmis avec la modulation Interplex. Leurs performances sont aussi évaluées et comparées à celle du signal BOC(1,1), grâce à des observables qui caractérisent les performances en réception. Ces observables sont la fonction d'autocorrélation, la densité spectrale de puissance, le coefficient d'isolation spectrale et l'enveloppe d'erreur due aux trajets multiples. Pour terminer, des simulations permettent d'évaluer l'influence des distorsions dues aux équipements de la charge utile et du récepteur, sur les signaux Galileo et sur leur performance en réception, sont présentées. En particulier, l'influence des horloges, des amplificateurs et des filtres est évaluée grâce notamment au calcul de l'erreur de phase dans la boucle de poursuite du récepteur.

La demande sans cesse croissante pour des services sans fil de plus en plus gourmandes en ressources et l'évolution de l'état du marché des communications sans fil, obligent les futurs systèmes (4G) à obéir à des contraintes d'efficacités spectrales plus importantes et à fournir une meilleure qualité de service, particulièrement pour les utilisateurs se trouvant en bordure de cellules. Afin de répondre à ces objectifs, les nouveaux systèmes de communication devront incorporer des technologies qui leur permettent d'augmenter l'efficacité spectrale dans la cellule. Une des techniques des plus prometteuses permettant d'atteindre ces objectifs est le MIMO Coopératif dans les Réseaux Multi-cellulaires (Multicell-MIMO en anglais) qui est capable de diminuer l'interférence intercellulaire et d'augmenter le débit. Cette technique nécessite qu'un certain nombre de stations de base (BSs) se regroupent et traitent les signaux conjointement. Cependant, le Multicell-MIMO coopératif nécessite l'introduction de charges supplémentaires non négligeables sur le réseau afin de permettre le bon fonctionnement de cette technologie. Le but de cette thèse est d'étudier ces charges afin de trouver les mécanismes de les réduire avec des pertes acceptables de performances. Dans un premier temps, partant du fait que les charges introduites sur le réseau par le Multicell-MIMO coopératif sont proportionnelles au nombre de BSs qui coopèrent, nous sommes concentrés sur le regroupement d'un faible nombre d'entre eux. Nous proposons pour cela une coopération entre les BSs qui génèrent beaucoup d'interférences l'une pour l'autre, au lieu de considérer une coopération entre les stations de bases qui sont géographiquement proches l'une de l'autre. Cette approche nous a permis d'apporter des gains significatifs au niveau de l'efficacité spectrale. Par ailleurs, la conception centralisée classique pour le MIMO coopératif nécessite que les BSs appartenant à un même groupe soient interconnectées par une unité de contrôle centrale, leur permettant l'échange d'informations entre autres sur l'état du canal (CSI: Channel State Information en anglais). Cette architecture rend difficile le déploiement de cette technologie dans les réseaux de communications mobiles vu qu'elle nécessite des investissements supplémentaires pour le rajout de l'infrastructure additionnelle. Dans cette thèse, on propose une nouvelle approche mettant en œuvre une architecture décentralisée. Ceci nous assure la simplicité d'intégration du principe de la coopération Multi-cellulaire dans les systèmes cellulaires conventionnels à travers de minimes changements sur leur architecture. En outre, dans les systèmes de communication FDD (Frequency Division Duplexing en anglais) la connaissance du canal de transmission est cruciale afin d'assurer une bonne communication sur le lien descendant. Pour cela, les différents utilisateurs doivent réaliser une estimation du canal et la renvoyer sur une voie de retour. Nous proposons dans cette thèse une approche permettant de diminuer le trafic généré par le processus de retour du CSI en ne sélectionnant que les coefficients du canal ayant un gain supérieur à un niveau préfixé. On montre que la réduction de cette charge sur la voie de retour peut être combinée avec la réduction de la charge sur le backhaul (échange des donnés entre les BSs qui coopèrent). Une autre technique prometteuse, qui permet d'améliorer l'efficacité spectrale, est l'utilisation des relais. Les relais dynamiques (utilisateurs qui relaient des signaux destinés aux autres utilisateurs) sont plus rentables que les relais statiques, car ils n'exigent pas de déploiement de nouvelle infrastructure coûteuse. Cependant, leur utilisation ajoute des charges supplémentaires et des complexités importantes. Dans cette thèse l'efficacité des relais dynamiques est évaluée dans des environnements différents. De plus quelques techniques originales qui exploitent les relais dynamiques tout en exigeant des charges générales minimales sont présentées.

Le problème d'allocation de ressources consiste à optimiser le coût global d'un système en répartissant selon diverses composantes une ressource contrainte par un budget. Chaque composante du système est régie par une loi reliant la ressource au coût qu'elle engendre. Cette description s'applique à de nombreux contextes dont les deux principaux évoqués ici sont issus du codage en communications numériques. Ainsi, les systèmes de codage de source par transformée ou de codage de canal à modulation multi-porteuses intègrent ce problème dans la recherche d'un point de fonctionnement optimal, s'adaptant bien à un formalisme commun. En communications numériques, différentes méthodes de résolution ont été élaborées au cours des quarante dernières années. Leur validité se limite souvent à des cas non-exhaustifs et leurs performances dépendent des caractéristiques des fonctions considérées. De plus, complexité et optimalité revêtent une importance particulière mais sont rarement optimisées de concert en raison des techniques de modélisation et des principes de recherche employés. Un des problèmes majeurs provient en particulier de l'existence de points dit "cachés" n'appartenant pas à l'enveloppe convexe du nuage global et souvent ignorés par les méthodes actuelles d'optimisation. Cette thèse propose d'aborder le problème d'allocation de ressources en communications numériques sous un angle nouveau et global. La reformulation complète du problème et de l'ensemble des concepts sous-jacents permet ainsi d'énoncer des critères propices à la description de quatre algorithmes novateurs.

L'oscillateur optoélectronique (OEO) introduit en 1994 par S. Yao et L. Maleki fut le premier oscillateur microondes incorporant une fibre optique très longue afin d'obtenir une très haute qualité spectrale. Dans cette thèse, nous nous sommes concentrés sur des applications de l'OEO, un domaine encore peu exploré. L'idée directrice est d'étudier des variations contrôlées de la fréquence d'oscillation et de montrer la faisabilité d'applications correspondantes. Deux possibilités sont abordées ici pour modifier la phase du signal et donc la fréquence d'oscillation. La première consiste à modifier le chemin optique global du système. Après avoir montré la sensibilité du système à une modification de la longueur de boucle, nous avons appliqué ce principe à la mesure de l'indice de réfraction de diverses solutions chimiques avec une précision estimée à cinq millièmes environ. Des améliorations sont possibles et doivent permettre de gagner un ordre de grandeur. Dans la deuxième méthode le signal optique en sortie de la fibre est divisé en deux voies a priori équivalentes. En imposant une variation de l'amplitude du signal dans un des chemins il est possible lors de la recombinaison électronique de modifier la phase globale. Une technique utilisant un amplificateur optique à semi-conducteur conduit à la réalisation d'un OEO contrôlé en tension ; une modulation de fréquence permettant de travailler jusqu'à un indice de modulation d'environ 5,4 est alors mise en œuvre. Une deuxième technique fondée sur un circulateur optique terminé par un interféromètre à fibre permet, grâce à une compensation des effets thermiques, de mesurer par exemple le coefficient d'absorption d'un liquide.

Ce document représente ma candidature à l'habilitation à diriger des recherches au sein de l'Université Jean Monnet de Saint-Étienne.. Vous trouverez dans ce document un Curriculum Vitae détaillé et une synthèse de mes travaux de recherche. - Le Curriculum Vitae exhaustif fait apparaître la chronologie de mes activités dans les domaines de l'enseignement et de la recherche. Dans ce CV vous trouverez une liste des travaux et publications, une liste des mémoires dirigés. - La synthèse des travaux de recherche met en évidence les problématiques abordées et leurs positions dans le champ scientifique national et international.

A new low power, wideband wireless transmitter able to convert any RF signal into a constant envelope signal enabling the use of a nonlinear and efficient power amplifier is presented. In the transmitter architecture, two normalized phase signals and the envelope are separated and processed separately. A 1-bit 2nd order SD modulator codes the envelope. Quantization noise is attenuated by a S&H interpolator introducing notches at multiples of the sampling frequency. Phase and Envelope signals are recombined and upconverted directly to radio frequencies using a novel full-digital, wideband quadrature modulator. This mixer takes advantage of the 1-bit SD output. As both LOs and envelope signals are represented by two-level signals, the product of these signals (XOR function) leads to a two-level signal, which can be used as command signal in the multiplexors. Phase signals or theirs complements that are generated by a simple Inversion Block are passed through this multiplexor at the rate of driving signals. This enables to implement a high frequency, wideband mixer instead of a more complex three-input modulator. This IQ mixer is very simple to implementate as it uses only CMOS logic gates. The generation of the quadrature clock signals in the mixer is obtained by carefully design of two paths to avoid mismatch to assure an error less than 1º (only demonstrated in simulation) and the use of SR flipflops to generate correctly the complementary signal prior to the divide-by-two circuit. Two asynchronous 9-bit DACs eliminate the 10-bit high-speed digital adder at the output of the IQ modulator and the 10-bit DAC before the PA, saving power and relaxing adder design constraints. Each DAC is divided into two full binary-weighted DACs of 4 and 5 bits. This topology enables to reduce the size ratios between the most and least significant bits related to a classic 9-bit binary-weighted structure (16 instead of 256). To test the speed and the gain control of the standalone DAC over 45 dB, a prototype DAC is designed in 0.13 ;m BiCMOS technology from STMicroelectronics together with a 1.4 GHz 9-bit CMOS ROM-less direct digital frequency synthesizer (DDFS). Over the output power range, measurements show a SFDR>25 dB with a power dissipation of 25 mW at the maximum differential output power of -3 dBm (RL=50 @). The whole transmitter is designed and implemented and a prototype transmitter is built in 0.13 μm BiCMOS STMicroelectronics process. This low cost single chip digital radio transmitter demonstrates a data rate of 1.8 GHz. The image level is measured to be -12 dBc at this sampling frequency. Dynamic range in the transmitter is 35 dB for sampling frequencies lower than 800 MHz and 25 dB for higher sampling frequencies up to 1.8 GHz. For a two-tone signal, the maximum single-ended output power is -31dBm for each tone and the power dissipation is about 35 mW. This architecture enables flexible and software-defined transmitter. Sampling frequency in the SD coder can be varied to adapt to different communications standards in terms of in-band and outof-band noise requirements and variable LO frequencies can be used. Moreover, the transmitter can adapt dynamically the output power to the power amplifier depending of the required transmitted power at the output of the PA. The transmitter has demonstrated its potential for use as a universal transmitter for applications targeting any frequency band and modulation schema up to 900 MHz (carrier frequency) and occupies a die area of 300x320 ;m2. The generated differential signal can be easily amplified by a switched-mode Power Amplifier (PA) in an efficient way because it presents constant-envelope and the PA can work in the saturation zone, which represents its optimal operation point.

Avec la multiplication des systèmes électroniques analogiques et numériques embarqués dans les moyens de transports actuels, l’environnement EM (ElectroMagnétique) devient de plus en plus riche en signaux de toutes sortes et, par conséquent, il devient plus complexe à caractériser. Dans ces travaux de thèse, nous nous intéressons à un système numérique en particulier : le GSM-R (Global System for Mobile communications - Railways). Il s’agit du nouveau système de communication radio numérique portant la signalisation actuellement en cours de déploiement sur le réseau ferroviaire européen afin d'assurer l'interopérabilité des trains à grande vitesse en Europe. Ainsi, tous les pays d’Europe utiliseront le même système, ce qui facilitera la circulation des trains transfrontaliers d’un pays à l’autre. En environnement ferroviaire, le GSM-R doit faire face à différentes sources de bruit EM, notamment aux perturbations EM transitoires provenant du contact glissant entre le fil caténaire et le pantographe. Ces perturbations couvrent de larges bandes de fréquences dont, potentiellement, celles du GSM-R. Nous proposons une méthode de classification qui permet de prédire l’effet des perturbations EM transitoires sur la qualité des transmissions GSM-R. Cette méthode de classification pourrait être mise en place à bord des trains où elle permettrait d’identifier et localiser les zones critiques pour la qualité des transmissions GSM-R tout au long du trajet. Du point de vue de la standardisation, ces travaux de recherche pourraient contribuer à l’évolution nécessaire des équipements et des méthodologies définies dans les normes CEM afin de s’adapter aux nouvelles problématiques émanant de la multiplicité des systèmes et protocoles de communication sans fils employés dans le monde des transports.

La problématique de recherche traitée dans cette thèse d'habilitation à diriger les recherches est une contribution à l'amélioration de la sécurité dans les transports terrestres. Ces activités sont développées, au travers de la recherche prospective en télécommunications sur des problématiques de traitement de signaux et de transmission filaire et sans fil à haut débit pour la localisation, la communication V2V et V2I et finalement les techniques Radar. Ces activités de recherche se déclinent principalement en 3 axes : - Le premier axe concerne l'étude et le développement de systèmes de capteurs actifs de type radar pour la détection, la localisation d'obstacles et la communication longue et courte portées inter-véhicules, en environnement ouvert ou confiné, dans le domaine des transports routiers ou guidés. Deux voies technologiques sont explorées en prenant en compte le contexte multiutilisateur: l'une porte sur les radars ou capteurs fonctionnant en bande étroite et l'autre porte sur les Radar basés sur la technologie Ultra Large Bande (ULB). Le deuxième axe concerne l'étude et le développement des techniques de multiplexage et de codage multiutilisateurs, pour l'optimisation de la transmission radio mixte sur fibre optique. Il s'agit d'exploiter de nombreux réseaux d'antennes distribués installés dans les bâtiments, les centres commerciaux, les aéroports, les gares et dans les emprises ferroviaires ou guidés, pour optimiser la retransmission de plusieurs services, au sein d'une même fibre optique multi-mode. Ceci contribue à la réduction des coûts d'équipement, d'installation et de maintenance des gestionnaires d'infrastructures. Le troisième thème concerne l'étude et le développement des récepteurs sous-optimaux pour les besoins de transports. Il s'agit d'étudier des techniques performantes aptes à améliorer le pouvoir de réception dans des contextes multiutilisateurs, en environnement fortement contraints et bruités afin de contribuer à l'amélioration du débit des liens de communication sans fil. Les études théoriques sont très souvent poussées jusqu'aux expérimentations réelles. Les algorithmes de traitement de signaux issus de ces recherches sont implémentés sur les plateformes de développement de type FPGA.