Le multiplexage généralisé par répartition en fréquence (GFDM), une méthode de traitement par blocs de modulation multiporteuses non orthogonales, est une candidate prometteuse pour les technologies de forme d'onde pour les systèmes sans fil au-delà de la cinquième génération (5G). La capacité du GFDM à ajuster de manière flexible la taille du bloc et le type de filtres de mise en forme des impulsions en fait une méthode appropriée pour répondre à plusieurs exigences importantes, comme une faible latence, un faible rayonnement hors bande (OOB) et des débits de données élevés. En appliquant aux systèmes GFDM la technique des systèmes à entrées multiples et sorties multiples (MIMO), la technique de MIMO massif ou des codes de contrôle de parité à faible densité (LDPC), il est possible d'améliorer leurs performances. Par conséquent, l'étude de ces systèmes combinés sont d'une grande importance théorique et pratique. Dans cette thèse, nous étudions les systèmes de communication sans fil basés sur le GFDM en considérant trois aspects. Tout d'abord, nous dérivons une borne d'union sur le taux d'erreur sur les bits (BER) pour les systèmes MIMO-GFDM, technique qui est basée sur des probabilités d'erreur par paires exactes (PEP). La PEP exacte est calculée en utilisant la fonction génératrice de moments(MGF) pour les détecteurs à maximum de vraisemblance (ML). La corrélation spatiale entre les antennes et les erreurs d'estimation de canal sont prises en compte dans l'environnement de canal étudié. Deuxièmement, les estimateurs et les précodeurs de canal de faible complexité basés sur une expansion polynomiale sont proposés pour les systèmes MIMO-GFDM massifs. Des pilotes sans interférence sont utilisés pour l'estimation du canal basée sur l'erreur quadratique moyenne minimale(MMSE) pour lutter contre l'influence de la non-orthogonalité entre les sous-porteuses dans le GFDM. La complexité de calcul cubique peut être réduite à une complexité d'ordre au carré en utilisant la technique d'expansion polynomiale pour approximer les inverses de matrices dans l'estimation MMSE conventionnelle et le précodage. De plus, nous calculons les limites de performance en termes d'erreur quadratique moyenne (MSE) pour les estimateurs proposés, ce qui peut être un outil utile pour prédire la performance des estimateurs dans la région de Eₛ/N₀ élevé. Une borne inférieure de Cramér-Rao(CRLB) est dérivée pour notre modèle de système et agit comme une référence pour les estimateurs. La complexité de calcul des estimateurs de canal proposés et des précodeurs et les impacts du degré du polynôme sont également étudiés. Enfin, nous analysons les performances de la probabilité d'erreur des systèmes GFDM combinés aux codes LDPC. Nous dérivons d'abord les expressions du ratio de vraisemblance logarithmique (LLR) initiale qui sont utilisées dans le décodeur de l'algorithme de somme de produits (SPA). Ensuite, basé sur le seuil de décodage, nous estimons le taux d'erreur de trame (FER) dans la région de bas E[indice b]/N₀ en utilisant le BER observé pour modéliser les variations du canal. De plus, une borne inférieure du FER du système est également proposée basée sur des ensembles absorbants. Cette borne inférieure peut agir comme une estimation du FER dans la région de E[indice b]/N₀ élevé si l'ensemble absorbant utilisé est dominant et que sa multiplicité est connue. La quantification a également un impact important sur les performances du FER et du BER. Des codes LDPC basés sur un tableau et construit aléatoirement sont utilisés pour supporter les analyses de performances. Pour ces trois aspects, des simulations et des calculs informatiques sont effectués pour obtenir des résultats numériques connexes, qui vérifient les méthodes proposées. / $8 372162\u $a Generalized frequency division multiplexing (GFDM) is a block-processing based non-orthogonal multi-carrier modulation scheme, which is a promising candidate waveform technology for beyond fifth-generation (5G) wireless systems. The ability of GFDM to flexibly adjust the block size and the type of pulse-shaping filters makes it a suitable scheme to meet several important requirements, such as low latency, low out-of-band (OOB) radiation and high data rates. Applying the multiple-input multiple-output (MIMO) technique, the massive MIMO technique, or low-density parity-check (LDPC) codes to GFDM systems can further improve the systems performance. Therefore, the investigation of such combined systems is of great theoretical and practical importance. This thesis investigates GFDM-based wireless communication systems from the following three aspects. First, we derive a union bound on the bit error rate (BER) for MIMO-GFDM systems, which is based on exact pairwise error probabilities (PEPs). The exact PEP is calculated using the moment-generating function (MGF) for maximum likelihood (ML) detectors. Both the spatial correlation between antennas and the channel estimation errors are considered in the investigated channel environment. Second, polynomial expansion-based low-complexity channel estimators and precoders are proposed for massive MIMO-GFDM systems. Interference-free pilots are used in the minimum mean square error (MMSE) channel estimation to combat the influence of non-orthogonality between subcarriers in GFDM. The cubic computational complexity can be reduced to square order by using the polynomial expansion technique to approximate the matrix inverses in the conventional MMSE estimation and precoding. In addition, we derive performance limits in terms of the mean square error (MSE) for the proposed estimators, which can be a useful tool to predict estimators performance in the high Eₛ/N₀ region. A Cramér-Rao lower bound (CRLB) is derived for our system model and acts as a benchmark for the estimators. The computational complexity of the proposed channel estimators and precoders, and the impacts of the polynomial degree are also investigated. Finally, we analyze the error probability performance of LDPC coded GFDM systems. We first derive the initial log-likelihood ratio (LLR) expressions that are used in the sum-product algorithm (SPA) decoder. Then, based on the decoding threshold, we estimate the frame error rate (FER) in the low E[subscript b]/N₀ region by using the observed BER to model the channel variations. In addition, a lower bound on the FER of the system is also proposed based on absorbing sets. This lower bound can act as an estimate of the FER in the high E[subscript b]/N₀ region if the absorbing set used is dominant and its multiplicity is known. The quantization scheme also has an important impact on the FER and BER performances. Randomly constructed and array-based LDPC codes are used to support the performance analyses. For all these three aspects, software-based simulations and calculations are carried out to obtain related numerical results, which verify our proposed methods.

Les systèmes de communication sans-fil de prochaine génération nécessitent de nouvelles techniques avancées afin de supporter un nombre continuellement grandissant d'usagers et de services consommant beaucoup de largeur de bande. Une de ces techniques est l'utilisation de réseaux d'antennes aux deux extrémités du lien sans-fil, c'est-à-dire un système MIMO (Multi-Input, Multi-Output). De tels systèmes augmentent le taux binaire sans consommer de largeur de bande additionnelle. Particulièrement, le codage spatio-temporel permet d'obtenir une grande partie de cette augmentation. Les systèmes MIMO et le codage spatio-temporel ont été souvent étudiés d'un point de vue théorique, mais moins souvent d'un point de vue pratique. Ce mémoire décrit donc dans un premier temps la structure matérielle d'un récepteur MIMO basé sur une architecture efficace de traitement multi-couches spatio-temporel utilisant un calcul de poids optimaux. Un calcul optimal des poids exige l'opération d'inversion de matrice. Ainsi, afin d'obtenir un système complet sur puce, le mémoire décrit dans un deuxième temps une architecture d'inversion itérative de matrice très bien adaptée à l'implantation sur puce.

Depuis une quinzaine d'années de nombreux travaux s'attachent à utiliser les systèmes MIMO afin d'augmenter la capacité de Shannon associée aux traditionnels systèmes SISO. Dans ce but, un problème crucial consiste en la conception de l'émetteur optimal au sens de la capacité de Shannon. Cette problématique a fait l'objet de nombreuses études dans le cas où le canal de transmission MIMO est non sélectif en fréquence ; elle est cependant nettement moins mature dans le cadre d'un canal MIMO sélectif en fréquence. Cette thèse s'intéresse ainsi dans une première partie à l'optimisation, au sens de la capacité ergodique, de la covariance du vecteur transmis, via la théorie des matrices aléatoires. L'utilisation de plusieurs antennes d'émission permet également d'augmenter les performances en réception grâce à la diversité induite. Dans une seconde partie, nous nous intéressons ainsi à la diversité liée aux récepteurs MMSE. A l'inverse des récepteurs ML ces récepteur sont sous-optimaux mais très simples à mettre en oeuvre. Dans un premier temps nous étudions la diversité de tels récepteurs à haut SNR pour des canaux sélectifs en fréquence, tandis que nous nous attardons dans un second temps sur un facteur de diversité, l'utilisation des codes spatio-temporels en bloc, plus spécifiquement l'utilisation du code d'Alamouti. Ainsi, nous proposons et analysons en contexte multi-utilisateur un nouveau récepteur MMSE robuste aux interférences car exploitant au mieux les degrés de liberté du canal / For fifteen years many studies have used MIMO systems to increase the Shannon capacity of the traditional SISO systems. To this end, a crucial problem is the design of transmitters which are optimal w.r.t. Shannon capacity, by the use of space-time codes or of prior knowledge on the transmission channel. These problems have been addressed by many studies in the case of frequency flat MIMO channels but are really less mature for frequency selective MIMO channels. This thesis focuses in the first part on the optimization, w.r.t. the ergodic capacity, of the covariance of the vector transmitted, via the Random Matrix Theory. Using multiple transmit antennas also gives rise to diversity, which improves the receiving performance. In the second part, we thus focus on the diversity, in the specific case of a MMSE receiver. Unlike the ML receiver, this receiver is suboptimal but very simple to implement. We first study the diversity at high SNR for frequency selective channels. We then focus on a diversity factor, the use of space-time codes in block (STBC), specifically the use of the Alamouti code. Thus, we propose and analyze in the multiuser context a new MMSE receiver robust to interference thanks to its ability to use optimally the degrees of freedom available in the channel

De nos jours, le nombre des utilisateurs mobiles est en train d’exploser et cela va de même pour la demande en débit. En effet, cette demande croissante ainsi que le nombre considérable d’appareils qui sont appelés à être connectés (plus de 29 milliards d’ici 2022 selon Ericsson) oblige à entièrement repenser les technologies de communication mobile. De nouveaux systèmes doivent être développés afin de proposer une solution aux nouveaux usages qui vont naître de cette évolution. Le MIMO massif est une nouvelle technologie caractéristique de la 5G. Au lieu de mettre en place une seule antenne réceptrice-émettrice, le MIMO massif combine plusieurs antennes à la fois afin de renforcer le signal et réduire les interférences. Un tel système est très souvent étudié pour des transmissions multi-utilisateurs grâce à son potentiel à focaliser l’énergie. Parmi les nombreuses technologies caractéristiques de la 5G, nous considérons comme un bon candidat un système fonctionnant à des longueurs d’onde millimétriques afin de satisfaire le besoin du débit élevé sur des petites zones cibles. Cependant, plusieurs difficultés de conception apparaissent à une telle échelle de fréquence. Particulièrement, l’utilisation d’un nombre élevé de chaînes RF en parallèle semble plus compliquée. Pour remédier à ce problème, des systèmes dits hybrides ont vu le jour et ils sont identifiés comme des solutions pertinentes afin de contourner ces difficultés. Malgré les avantages apportés par les systèmes MIMO massifs à ondes millimétriques, il est important de comprendre ces innovations d’un point de vue d’évolution de l’architecture des réseaux. De nos jours, l’architecture moderne des réseaux cellulaires devient de plus en plus hétérogène, pour de bonnes raisons. Dans ces réseaux hétérogènes, les stations de base sont souvent augmentées avec un grand nombre de petites cellules. Ces dernières consistent en de petites stations de base, utilisées pour améliorer la couverture dans des environnements denses et pour augmenter la capacité du réseau. Cependant, plusieurs problèmes techniques naissent du déploiement dense de ces petites cellules. Particulièrement, leur coexistence avec les réseaux traditionnels et les différents niveaux de puissance de transmission peuvent être la source de fortes interférences entre les cellules. Le travail de ce mémoire se concentre sur la gestion des interférences intercellulaires dans un réseau hétérogène à spectre partagé. Ces interférences sont dues principalement au fait que les utilisateurs sont forcés de s’associer aux petites cellules en présence de macrocellules avoisinantes. Par conséquent, nous proposons une nouvelle architecture d’un réseau hétérogène comprenant plusieurs petites cellules qui coexistent avec une macrocellule équipée d’un grand nombre d’antennes au niveau de la macro station de base (MBS). L’objectif est de concevoir un nouveau schéma de précodage hybride permettant d’annuler les interférences intercellulaires sur le lien descendant (DL). Nous proposons d’appliquer uniquement un contrôle de phase pour coupler les sorties de la chaîne RF aux antennes d’émission, en utilisant des déphaseurs RF économiques. Un précodage numérique est ensuite effectué à la station de base pour gérer les interférences intercellulaires et multi-utilisateurs en s’appuyant sur l’espace nul des canaux d’interférences. Enfin, des résultats de simulations démontrant l’efficacité spectrale de l’approche proposée sont présentées et comparées avec diverses techniques de précodage / Nowadays, the number of mobile users and the demand for bandwidth are exploding. Indeed, this growing demand and the considerable number of devices to be connected (more than 29 billion by 2022 according to Ericsson) requires a complete rethink of the mobile communication technologies. New systems must be developed in order to provide a solution to the new uses that will emerge from this evolution. Massive MIMO is a new technology characteristic of 5G. Instead of implementing a single transmitting/receiving antenna, massive MIMO system combines several antennas to rein-force the signal and reduce the interference. Such a system is very often studied for multi-user transmissions thanks to its potential to focus energy. Among the many characteristic technologies of 5G, we consider as good candidates, those operating at millimetre wavelengths to satisfy the need for high throughput in small targeted areas. However, several design difficulties occur at such a frequency scale. In particular, the use of a large number of RF chains in parallel is more complicated. To remedy this problem, hybrid systems have emerged and are identified as relevant solutions to overcome these difficulties. Despite the benefits of massive MIMO systems and millimetre wave, it is important to understand these innovations from the perspective of network architecture evolution. Nowadays, the modern architecture of cellular networks is becoming more and more heterogeneous, for good reasons. In these heterogeneous networks, base stations are often augmented with a large number of small cells. It consists of small base stations, used to improve coverage in dense environments and increase network capacity. However, several technical problems arise from the dense deployment of these small cells. In particular, their coexistence with traditional networks and the different levels of transmission power can be the source of strong interferences between cells. In this thesis, we focus on the intercellular interference management in a heterogeneous shared spectrum network. This interference is mainly due to the fact that users are forced to be associated with small cells in the presence of surrounding macrocells. Therefore, we propose a new architecture of a heterogeneous network comprising several small cells that coexist with a macrocell equipped with a large number of antennas at the macro base station (MBS). The goal is to design a new hybrid precoding scheme to cancel intercellular interference on the downlink transmissions (DL). We propose to apply only phase control to couple the outputs of the RF chain to the transmitting antennas, using economical RF phase shifters. Digital precoding is then performed at the base station to manage intercellular and multi-user interference based on the null space of the interference channels. Finally, simulation results demonstrating the spectral efficiency of the proposed approach are presented and compared with various precoding techniques

À mesure que les réseaux de communication sans fil se développent vers la 5G, une énorme quantité de données sera produite et partagée sur la nouvelle plate-forme qui pourra être utilisée pour promouvoir de nouveaux services. Parmis ceux-ci, les informations de localisation des terminaux mobiles (MT) sont remarquablement utiles. Par exemple, les informations de localisation peuvent être utilisées dans différents cas de services d'enquête et d'information, de services communautaires, de suivi personnel, ainsi que de communications sensibles à la localisation. De nos jours, bien que le système de positionnement global (GPS) des MT offre la possibilité de localiser les MT, ses performances sont médiocres dans les zones urbaines où une ligne de vue directe (LoS) aux satellites est bloqué avec de nombreux immeubles de grande hauteur. En outre, le GPS a une consommation d'énergie élevée. Par conséquent, les techniques de localisation utilisant la télémétrie, qui sont basées sur les informations de signal radio reçues des MT tels que le temps d'arrivée (ToA), l'angle d'arrivée (AoA) et la réception de la force du signal (RSS), ne sont pas en mesure de fournir une localisation de précision satisfaisante. Par conséquent, il est particulièrement difficile de fournir des informations de localisation fiables des MT dans des environnements complexes avec diffusion et propagation par trajets multiples. Les méthodes d'apprentissage automatique basées sur les empreintes digitales (FP) sont largement utilisées pour la localisation dans des zones complexes en raison de leur haute fiabilité, rentabilité et précision et elles sont flexibles pour être utilisées dans de nombreux systèmes. Dans les réseaux 5G, en plus d'accueillir plus d'utilisateurs à des débits de données plus élevés avec une meilleure fiabilité tout en consommant moins d'énergie, une localisation de haute précision est également requise. Pour relever un tel défi, des systèmes massifs à entrées multiples et sorties multiples (MIMO) ont été introduits dans la 5G en tant que technologie puissante et potentielle pour non seulement améliorer l'efficacité spectrale et énergétique à l'aide d'un traitement relativement simple, mais également pour fournir les emplacements précis des MT à l'aide d'un très grand nombre d'antennes associées à des fréquences porteuses élevées. Il existe deux types de MIMO massifs (M-MIMO), soit distribué et colocalisé. Ici, nous visons à utiliser la méthode basée sur les FP dans les systèmes M-MIMO pour fournir un système de localisation précis et fiable dans un réseau sans fil 5G. Nous nous concentrons principalement sur les deux extrêmes du paradigme M-MIMO. Un grand réseau d'antennes colocalisé (c'est-à-dire un MIMO massif colocalisé) et un grand réseau d'antennes géographiquement distribué (c'est-à-dire un MIMO massif distribué). Ensuite, nous ex trayons les caractéristiques du signal et du canal à partir du signal reçu dans les systèmes M-MIMO sous forme d'empreintes digitales et proposons des modèles utilisant les FP basés sur le regroupement et la régression pour estimer l'emplacement des MT. Grâce à cette procédure, nous sommes en mesure d'améliorer les performances de localisation de manière significative et de réduire la complexité de calcul de la méthode basée sur les FP. / As wireless communication networks are growing into 5G, an enormous amount of data will be produced and shared on the new platform, which can be employed in promoting new services. Location information of mobile terminals (MTs) is remarkably useful among them, which can be used in different use cases of inquiry and information services, community services, personal tracking, as well as location-aware communications. Nowadays, although the Global Positioning System (GPS) offers the possibility to localize MTs, it has poor performance in urban areas where a direct line-of-sight (LoS) to the satellites is blocked by many tall buildings. Besides, GPS has a high power consumption. Consequently, the ranging based localization techniques, which are based on radio signal information received from MTs such as time-of-arrival (ToA), angle-of-arrival (AoA), and received signal strength (RSS), are not able to provide satisfactory localization accuracy. Therefore, it is a notably challenging problem to provide precise and reliable location information of MTs in complex environments with rich scattering and multipath propagation. Fingerprinting (FP)-based machine learning methods are widely used for localization in complex areas due to their high reliability, cost-efficiency, and accuracy and they are flexible to be used in many systems. In 5G networks, besides accommodating more users at higher data rates with better reliability while consuming less power, high accuracy localization is also required in 5G networks. To meet such a challenge, massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems have been introduced in 5G as a powerful and potential technology to not only improve spectral and energy efficiency using relatively simple processing but also provide an accurate locations of MTs using a very large number of antennas combined with high carrier frequencies. There are two types of massive MIMO (M-MIMO), distributed and collocated. Here, we aim to use the FP-based method in M-MIMO systems to provide an accurate and reliable localization system in a 5G wireless network. We mainly focus on the two extremes of the M-MIMO paradigm. A large collocated antenna array (i.e., collocated M-MIMO ) and a large geographically distributed antenna array (i.e., distributed M-MIMO). Then, we extract signal and channel features from the received signal in M-MIMO systems as fingerprints and propose FP-based models using clustering and regression to estimate MT's location. Through this procedure, we are able to improve localization performance significantly and reduce the computational complexity of the FP-based method.

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 le domaine du sans-fil, le nombre d'usagers augmente continuellement et la gourmandise des services, en largeur de bande, prend de plus en plus d'ampleur. De nouvelles techniques sont donc nécessaires pour réduire le plus possible l'utilisation du spectre engorgé. Une des techniques envisageables est celle proposée par M. Sébastien Roy de l'Université Laval. Elle consiste à réaliser un récepteur qui, à partir d'un réseau d'antennes, en sélectionne un sous-ensemble qui sera optimal pour un usager en particulier. Chaque usager aura donc son propre sous-ensemble optimal. Pour le déterminer, il suffit de trouver les antennes qui minimisent les interférents et augmentent le rapport signal sur bruit. Ce mémoire décrit l'implantation sur puce d'une partie de ce brevet, c'est-à-dire l'estimateur du canal à long terme. La stratégie de conception est centrée sur la réduction de l'utilisation des ressources matérielle de la puce. De plus, le design doit être totalement paramétrisable puisque plusieurs données ne sont pas encore connues.

Ces dernières années, le volume de trafic à l'intérieur des centres de données a considérablement augmenté. Par conséquent, nous avons besoin de solutions évolutives et efficaces appropriées à l'infrastructure de centre de données. Le multiplexage par division de mode (MDM) est un excellent candidat pour augmenter la capacité des liaisons optiques. Dans cette thèse, nous examinons les fibres à noyau annulaire (RCF) qui permettent la propagation des modes de moment angulaire orbital (OAM) pour le multiplexage. Nous montrons les avantages de l'utilisation des modes OAM par rapport aux autres solutions de multiplexage de mode. Dans notre première contribution, nous avons introduit un modèle numérique pour trouver les coefficients de couplage entre les modes OAM à cause de la déformation elliptique dans la fibre. Notre modèle prédit des observations expérimentales qui ne peuvent pas être observées avec les modèles de perturbation classiques. Nous avons utilisé le modèle pour comparer les performances de différentes conceptions de fibres. Dans la deuxième contribution, nous avons fabriqué une conception de fibre qui a été identifiée comme ayant un faible couplage à l'aide de notre modèle numérique. Nous avons caractérisé expérimentalement la perte dépendante du mode de la fibre. Nous minimisons la destruction des fibres lors de la caractérisation des pertes en fonction du mode en utilisant quatre longueurs de fibres fixes et examinons chaque mode de manière itérative. Nous avons utilisé un récepteur reprogrammable pour valider la pureté de l'excitation modale. Nous avons maximisé la pureté du mode lancé en optimisant la largeur et le diamètre du faisceau en espace libre à l'aide de la technique d'excitation du faisceau vortex parfait. Nous discutons de plusieurs défis auxquels nous avons été confrontés et démontrons les avantages de notre technique par rapport à d'autres techniques. La perte de notre fibre est acceptable pour les liaisons intra-centre de données. Dans notre troisième contribution, nous avons examiné les performances de transmission de données dans notre fibre. Nous avons comparé les performances de réception sans traitement MIMO (multiple-input multiple-output) (ni optique ni électronique) et la réception avec 2×2 MIMO. Les deux schémas de réception surpassent les schémas habituels étant donné la complexité du MIMO 4×4 et l'impraticabilité du MIMO optique. Nous discutons le hardware requis au démultiplexeur pour réaliser le MIMO 2×2. Nous démontrons huit transmissions de canaux de données sur 600 m et 1.3 km de RCF sur la bande C. Dans la dernière contribution, nous avons examiné la transmission des modes OAM et du multiplexage en longueur d'onde (WDM) pour augmenter la capacité de liaison optique dans les centres de données. Nous avons transmis avec succès des données sur douze modes OAM et trois longueurs d'onde simultanément dans la fibre. Nous avons examiné les performances lors du balayage de trois canaux WDM sur la bande C étendue, atteignant le débit binaire net le plus élevé enregistré pour la transmission OAM, soit 65,5 Tb/s. / In recent years, traffic volume inside data centers has increased significantly. As a result, we need scalable and efficient solutions appropriate for a data center infrastructure. Mode division multiplexing (MDM) is an excellent candidate to increase the capacity of such optical links. In this thesis, we examine ring-core fibers (RCFs) that support the propagation of orbital angular momentum (OAM) modes for multiplexing. We show the advantages of using OAM modes compared to other mode multiplexing solutions. In our first contribution, we introduced a numerical model to find coupling coefficients between OAM modes due to elliptical deformation in the fiber. Our model predicts experimental observations which cannot be seen with the classical perturbation models. We used the model to compare the performance of various fiber designs. In the second contribution, we fabricated a fiber design found to have low coupling using our numerical model. We characterized the mode-dependent loss (MDL) of the fiber experimentally. We minimize fiber destruction during MDL characterization with four fixed fiber lengths, probing each mode in a round-robin fashion. We used a re-programmable receiver to validate the purity of the modal excitation. We maximized launched mode purity and coupling by optimizing the free-space beam width and diameter using the perfect vortex excitation technique. We discuss several challenges we confronted, and demonstrate the advantages of our MDL technique over other techniques. Our fiber loss is acceptable for intra-data center links. In our third contribution, we examined data transmission performance in our fiber. We compared reception performance without multiple-input multiple-output (MIMO) processing (neither optical nor electronic) and reception with 2×2 MIMO. The two reception schemes overcome the complexity of 4×4 MIMO and the impracticality of optical MIMO. We discuss the hardware required at the demultiplexer to achieve the 2×2 MIMO. We demonstrate eight data channel transmissions over 600 m and 1.3 km of RCF across the C-band. In the last contribution, We examined the transmission of OAM modes and wavelength-division multiplexing (WDM) channels to increase the optical link capacity in data centers. We successfully transmitted data on twelve OAM modes and three wavelengths simultaneously in the fiber. We examined the performance when sweeping three WDM channels across the extended C-band, achieving the highest recorded net bit rate for OAM transmission, 65.5 Tb/s.

L'allumage d'ergols injectés dans une chambre de combustion, la propagation du noyau de flamme puis sa stabilisation sont autant de paramètres déterminants pour la conception d'un moteur fusée. Pour ce type d'application, il est nécessaire - du point de vue de la modélisation - de tenir compte du couplage existant entre les effets de compressibilité, les processus de mélange turbulent ainsi que de cinétique chimique, dans un environnement diphasique puisque les ergols sont injectés à l'état liquide. Un modèle Lagrangien a été implanté dans le code de calcul compressible N3S-Natur afin de disposer d'un outil numérique capable de simuler le transitoire d'allumage d'un moteur fusée. La physique représentative de chacun des processus physiques impliqués pendant la phase d'allumage a été incorporée puis validée sur des configurations académiques. Ce travail a permis de mettre en évidence l'importance de la description du mélange à petites échelles pour capturer correctement le développement de la flamme. Il a aussi mis en exergue la nécessité de prendre en compte le transitoire thermique des gouttes d'oxygène liquide afin de reproduire fidèlement sa stabilisation. Enfin, il a nécessité l'extension de la notion de fraction de mélange à des cas pratiques présentant plus de deux entrées afin d'être en mesure de simuler la propagation de l'allumage sur la plaque d'injection. Cette approche basée sur l'introduction d'un injecteur fictif est non seulement utile pour la simulation de l'allumage des moteurs-fusées mais peut aussi être employée dans tout autre système impliquant le mélange entre des courants de réactifs issus de deux entrées ou plus.

L'exploitation, le contrôle et la signalisation des systèmes de métros modernes et en particulier les métros sans conducteur, reposent sur deux familles de systèmes de communication radio sans fil : les transmissions vitales pour la signalisation et le contrôle des trains à faible débit et les transmissions non vitales très haut débit pour la vidéo surveillance embarquée, le télé-diagnostic,l'information des clients, etc. Lors de la mise en œuvre de tels systèmes de transmission, l'industriel doit donc garantir à l'exploitant de métro des performances concernant les débits et la qualité de la transmission en termes de perte de paquets d'information. Dès lors, appréhender le comportement du canal de propagation est un élément clé pour prédire et améliorer les performances des systèmes de transmission.L'objectif de ces travaux de thèse est double et concerne :• D'une part, la réduction des temps de calcul d'un simulateur de canal à tracé de rayons 3D qui prédit avec précision le comportement du canal de propagation, mais reste coûteux en temps de calculs pour les simulations dynamiques. Nous proposons dans cette thèse une méthode qui s'appuie sur trois critères de visibilité pour simplifier la description de lagéométrie de l'environnement sans pénaliser la prédiction des paramètres caractéristiques du canal de propagation ;• D'autre part, la mise en œuvre d'un nouveau modèle de canal de propagation MIMO dynamique en tunnel rectiligne de section rectangulaire qui permettra d'optimiser des systèmes de transmission multi antennaires (MIMO) pour des applications de transmissions sans fil pour les métros en tunnel. Ce modèle s'inspire globalement du modèle de canal utilisé / The exploitation, control and signalling systems for metro and especially modern driverless metros, are based on two families of radio communication systems Wireless : vital transmissions for signalling and train control low-flow and nonvital transmissions with very high bandwidth for video-tracking systems, telediagnosis, customer information, etc.. During the implementation ofsuch transmission systems, the industrial must therefore ensure the metro operator performance on throughput and transmission quality in terms of packet loss information. Therefore, understanding the behavior of the propagation channel is a key to predict and improve performance of transmission systems.The aim of this thesis is twin and concerns :• On the one hand, the computation time reduction of a 3D ray tracing simulator that accurately predicts the behavior of the propagation channel, but it is expensive in times of calculation for dynamic simulations. We propose here a new method based on three visibility criteria to simplify the geometry description of the environment without degrading the characteristic parameters prediction of the propagation channel ;• On the other hand, the construction of a new model for MIMO propagation channel dynamics in straight tunnel of rectangular section which will optimize transmission systems multi-antennary (MIMO) applications for wireless transmission in metros tunnel. This model draws broadly from the channel model used in the standard WINNER and is fed by the results extracted from the 3D ray tracing channel simulator. The results obtained in this thesis are encouraging and offer many opportunities.